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2019年  31卷  第11期

推荐文章
高功率微波对毫米波引信耦合效应分析
陈凯柏, 高敏, 周晓东, 岛新煜
2019, 31: 113003. doi: 10.11884/HPLPB201931.190180
本期封面及目录
《强》刊2019年第11期目录
2019, 31: 110000.
高功率激光与光学
钕玻璃宽带激光放大能量提取效率研究
范广鑫, 隋展, 张彬, 高妍琦
2019, 31: 111001. doi: 10.11884/HPLPB201931.190095
摘要:
基于钕玻璃宽带脉冲激光放大模型,采用数值模拟的方法,研究了钕玻璃放大器对不同输入光通量、不同脉宽以及不同带宽(或波长分布)脉冲激光放大的能量提取效率。计算结果表明,钕玻璃宽带放大能量提取效率随着输入光通量的增加而提高,并最终趋于某一定值。对于以均匀加宽为主的介质,随着带宽的增加,能量提取效率逐渐下降;对于以非均匀加宽为主的介质,随着带宽的增加,能量提取效率先逐渐升高,达到最大值后开始下降。对于均匀加宽与非均匀加宽线宽比为0.1的混合加宽介质,在饱和通量输入条件下,使用宽带激光能够带来大约80%的效率提升。
小工具数控抛光对元件表面中频误差的匀滑研究
雷鹏立, 侯晶, 王健, 邓文辉, 钟波
2019, 31: 111002. doi: 10.11884/HPLPB201931.190177
摘要:
数控抛光已被广泛应用于光学元器件的加工制造,而抑制元件表面中频误差是加工过程中一项十分重要的内容。基于Presston方程对数控小工具抛光盘去除函数进行了建模,得到了理论化的去除函数表达式。结合去除函数,在参数化匀滑模型基础上通过建立多参数的时变理论模型,表明元件表面中频误差是随抛光过程呈指数型收敛的,其收敛效率取决于材料参数、体积去除率等抛光工艺参数。对理论模型的匀滑曲线进行了模拟分析,实现了不同工艺条件下的匀滑效率的对比。结果表明:在不同抛光盘材料的匀滑过程中,材料系数越大,其整体匀滑效率越高。同样,抛光盘体积去除率越大,对表面误差的匀滑效率也会越高。进行了一组空间周期分别为3,5,7 mm的波纹误差的匀滑实验,其结果表明,在相同的抛光参数下,具有较大空间频率的波纹匀滑效率会更高,收敛曲线下降得更快。最后对比了不同材料抛光盘匀滑效率,从实验上证实了沥青盘在波纹匀滑效率上远高于聚氨酯材料的抛光盘。
ICF与激光等离子体
基于SVD的超精密工件自寻位加工算法能力评价
杨航, 宋书飘, 黄文, 何建国
2019, 31: 112001. doi: 10.11884/HPLPB201931.190261
摘要:
为进一步改善超精密表面修形的最终精度、效率与成本,优化超精密自寻位加工的工艺方向与工艺决策过程,开展了对超精密工件的自寻位加工算法点云融合过程的定量评价研究,提出了基于SVD的自寻位加工算法能力评价方法。首先基于运动学方法建立了点云融合的矩阵表示,分别对平动、转动、复合运动等情况建立了自寻位结果的转换矩阵表示,获得自寻位点云融合转换矩阵;进而对转换矩阵进行奇异值分解得到转换矩阵的奇异值列表;最后将列表中最大奇异值用以表征自寻位加工算法的能力。通过对某型超精密叶片在平动、转动和复合运动、共计1078组自由放置状态进行分析,发现所提出的评价指标在独立平动和独立转动两种任意放置情况下能够正确地表征自寻位加工算法的工艺能力。对于独立平动情况,自寻位加工算法能够正常定位加工,其最大奇异值也与预设偏差较小;对于独立转动情况,当旋转角度小于45°时,均能够正确地进行自寻位加工,最大奇异值差值也趋近于零,旋转角度超过45°时,算法的自寻位加工能力恶化,这一特性能够被所提指标正确捕捉。对于由平动和转动构成的复合运动而言,所提指标显示约35%的情况能够正确进行自寻位加工,其余情况无法进行正确的自寻位加工。结果表明本文所提方法建立的指标能够正确表征自寻位加工算法能力。
降低表面波纹误差的加工轨迹优化方法
韩小磊, 张蓉竹
2019, 31: 112002. doi: 10.11884/HPLPB201931.190098
摘要:
提出了一种降低光学元件表面波纹误差的加工方法。从中高频误差的产生过程出发,在常用的光栅型加工轨迹的步进方向上叠加一个随机扰动,通过破坏轨迹的规则性分布,有效抑制了特定频率的中频误差。利用信息熵原理,对生成的随机轨迹进行分析,得出其影响波纹误差抑制能力的关键因素——扰动幅值。在此基础上,对生成的随机扰动型轨迹进行平滑和改进,从而降低其对机床动态性能的要求,通过仿真模拟,验证了优化后的轨迹同样能够有效地降低光学元件表面波纹误差。
高功率微波
一种高选择性的可调0.83~2.15 GHz带通滤波器
王显, 张德伟, 刘庆, 吕大龙, 张毅, 杨松涛
2019, 31: 113001. doi: 10.11884/HPLPB201931.190257
摘要:
设计了一种宽频率调节范围的高选择性可调带通滤波器。宽调节范围由一对简单的加载变容管的平行耦合线谐振器设计实现。由于谐振器之间存在电磁混合耦合以及通过加载变容管引入的源与负载频变耦合,该滤波器最终引入了三个自适应性传输零点。而且,三个传输零点在整个调节范围内能够保持相同的相对位置,因此,设计的滤波器实现了在整个宽频率调节范围内的高选择性和良好的带外抑制。同时,在中心频率调节的过程中,通过选择合适的耦合系数,该滤波器可以实现恒定的相对带宽。最终设计出的可调滤波器的调节范围为0.83~2.15 GHz,可调范围可达88.6%,并保持9%±0.3%的相对带宽不变。测试结果表明该滤波器具备了高选择性和良好的带外抑制能力。
基于物理光学法的建筑物内高功率微波耦合场分布计算
王振坤, 顾祥龙, 曹锐
2019, 31: 113002. doi: 10.11884/HPLPB201931.190021
摘要:
利用物理光学法计算了高功率微波在建筑物内的耦合场分布。根据建筑物墙壁和窗户的透射率可以得到墙壁内侧的透射场,将它代入到矢量衍射公式中直接计算出在整个建筑物内的透射场;根据建筑物地面的反射率得到地板表面的反射场,将它代入到矢量衍射公式中可计算出整个建筑物内的反射场;对透射场与反射场进行矢量相加,得到叠加场。将本文方法得到的场分布情况和时域有限差分法得到的场分布进行比较,二者结果一致。物理光学法的优点在于其物理图像清晰,计算量小,计算速度快,适合应用在大型建筑物内部耦合场分布计算上。
高功率微波对毫米波引信耦合效应分析
陈凯柏, 高敏, 周晓东, 岛新煜
2019, 31: 113003. doi: 10.11884/HPLPB201931.190180
摘要:
针对高功率微波对毫米波引信的前门耦合效应问题,利用电磁仿真软件对某型毫米波调频连续波引信模型进行辐照试验,并与引信前端限幅电路结合进行联合仿真。在此基础上,继续设计正交试验,对信号参数影响水平进行分析。通过仿真试验发现,在高功率微波信号频率和引信工作频率对准的情况下,辐照场强峰值为60 kV/m时,天线末端耦合电压最大可达188 V;当辐照场强峰值为40 kV/m时,改变辐照信号特征参数,发现长脉宽信号更容易导致限幅器的热击穿效应;信号上升时间会影响天线末端耦合电压波形复杂程度,当信号峰值、脉宽一定时,上升时间为5 ns的输入信号导致的尖峰泄漏电压约为5.94 V,而当上升时间为0.1 ns时,尖峰泄漏电压为18.4 V,并且限幅电路更快达到饱和状态;通过正交试验发现,信号上升时间对尖峰泄漏峰值电压的影响最大,信号峰值对其的影响次之。
小型化行波管放大器热仿真分析及优化设计
李建兵, 郭盼盼, 王永康, 王妍
2019, 31: 113004. doi: 10.11884/HPLPB201931.190145
摘要:
介绍了小型化行波管放大器的热仿真分析和优化设计方法。首先对行波管放大器的热损耗进行了分析,然后依据热力学相关理论,基于Ansys Icepak软件,对行波管放大器进行了建模和仿真分析。针对小型化行波管放大器的特点,分别进行了水冷板的热优化设计和慢波结构的热优化设计,在此基础上进行了水冷板和慢波结构的综合优化设计。最后进行了实验验证,实验结果与仿真结果相符,行波管放大器无论是整体温度还是局部温度分布特性,均得到了明显改善。
四注行波管周期永磁聚焦系统的优化设计
程玲莉, 王林梅, 王敬东, 王磊, 袁涛, 谭福明
2019, 31: 113005. doi: 10.11884/HPLPB201931.190153
摘要:
根据电子注参数、布里渊磁场公式及周期聚焦系统轴向磁通密度峰值经验公式,计算出永磁聚焦系统轴向峰值磁通密度,利用Ansoft Maxwell 3D软件建立了四注行波管周期永磁聚焦系统仿真模型,对模型结构尺寸进行了参数化分析,研究了周期永磁聚焦系统结构尺寸对聚焦系统通道内磁通密度的影响,确定了磁聚焦系统结构最佳尺寸配合,优化设计出了四注行波管周期永磁聚焦系统。其电子注通道中心轴线上轴向磁通密度峰值Bz=309 mT,横向磁通密度Bt=2.86 mT,Bt/Bz=0.92%。
一种矩形腔式高功率合成器的设计
曾凡剑, 何源, 孙列鹏, 施龙波, 高郑, 朱正龙, 薛纵横, 马瑾颖, 陈奇, 黄贵荣
2019, 31: 113006. doi: 10.11884/HPLPB201931.190176
摘要:
研究了一种基于矩形腔式功率合成的射频高功率合成器。该合成器可以实现功放模块与合成器的直接耦合,合成效率高,功率容量大,且功率容量可调,可以很好地满足目前CiADS中对固态发射机功率容量的梯度要求。12合1矩形腔式功率合成器仿真结果表明,合成器各输入端到输出端的幅度传输和相位传输具有很好的一致性,最大偏差分别在0.05 dB和0.5°以内,调节功放模块数量可以调节发射机的功率容量。
复杂电磁环境
核安保典型系统电磁脉冲效应试验研究
秦锋, 钟少武, 崔志同, 刘清, 毛从光
2019, 31: 113201. doi: 10.11884/HPLPB201931.190219
摘要:
高空电磁脉冲(HEMP)是一种能够通过场线或孔缝耦合到各种电子电气设备内部的暂态电磁波,该电磁能量会对正常工作的电子电气设备造成干扰甚至永久性损伤。为了确保关键部门的安保系统能够在电磁脉冲环境下正常工作,有必要针对安保系统进行电磁脉冲效应试验,分析该种类型系统在电磁脉冲环境下的薄弱环节和生存能力。针对核安保典型系统拓扑结构,搭建了电磁脉冲辐照试验和脉冲电流注入试验平台,并通过试验获取了报警分机、门禁主机、报警中心端等核安保典型系统关键部件的电磁脉冲效应阈值和效应现象。进一步结合各部件的电路原理分析了关键部件的失效机理,总结了核安保典型系统的薄弱环节,为后续安保系统的防护加固设计提供数据支撑。
一种宽角扫描紧耦合阵列天线单元设
陆娇君, 吴鸿超
2019, 31: 113202. doi: 10.11884/HPLPB201931.190158
摘要:
提出一种新型紧耦合偶极子阵列天线单元,并结合等效电路对天线参数进行分析与优化。引入频率选择表面置于天线口径上方,取代传统的电介质板,用以改善宽角扫描时阻抗变换。巴伦采用微带线到共面平行双线过渡结构,实现平衡馈电及阻抗变换。仿真结果表明,该阵列能够实现3倍频(2~6 GHz)E面80°、H面45°的波束扫描,且在扫描范围内有源驻波比均小于3。仿真得到的阵列法向交叉极化隔离度保持在25 dB,由于阻性FSS的损耗,天线增益有所下降。该天线结构简单紧凑,易于加工制作,实现了紧耦合阵列的小型化。
脉冲功率技术
全同轴型Marx发生器的研制与场路协同仿真
王翔宇, 樊亚军, 乔汉青, 卢彦雷, 朱郁丰, 夏文锋, 张兴家
2019, 31: 115001. doi: 10.11884/HPLPB201931.190125
摘要:
针对Marx发生器小型化的应用需求和快前沿脉冲下Marx发生器内部存在波过程的实际情况,开展了全同轴结构Marx发生器的研制和场路协同仿真。Marx发生器采用基于环形电容器、环形开关、锥形隔离电感、轴心单边充电的全同轴结构方案,避免结构偏心带来的局部场增强效应。在CST软件中建立了Marx发生器实际结构模型,利用时变材料和场路协同仿真功能实现了充放电过程的动态仿真,仿真结果显示出快前沿脉冲下Marx发生器内部存在波过程。据此可以对绝缘设计进行优化,并分析结构参数对输出脉冲的影响。研制的5级Marx发生器体积小于0.015 m3,可在10 μs内充电至88 kV,对40 Ω传输线输出峰值电压210 kV的高压脉冲,峰值功率约1.1 GW,脉冲前沿5.3 ns,半高宽11.2 ns。
基于窄脉冲传输的脉冲展宽IGBT驱动电路
石经纬, 赵娟, 冯荣欣
2019, 31: 115002. doi: 10.11884/HPLPB201931.190206
摘要:
设计了一种采用高压隔离脉冲变压器传输窄脉冲,然后应用脉冲展宽电路实现宽脉冲驱动信号输出的无源IGBT驱动电路。采用正电压turn-on窄脉冲和负电压turn-off窄脉冲组合传输的方式以减小高压隔离脉冲变压器的体积和重量,脉冲展宽电路使IGBT在turn-on脉冲上升沿导通,在turn-off脉冲上升沿关断,且其具备储能功能,无需高压隔离辅助直流电源为其供电。脉冲信号发生电路和过流保护电路耦合设计,使IGBT在正常关断和过流保护关断情况下,其栅极都处于反压偏置状态,以提高IGBT关断的快速性和可靠性。将驱动电路用于级联Marx高压电路中IGBT开关的驱动,turn-on脉冲和turn-off脉冲的脉宽均选择为2 μs,结果表明,Marx电路在输出脉冲电压峰值为20 kV时工作稳定,且脉宽在3.5~50 μs之间连续可调,等离子体负载下的输出电压和电流波形显示,打火情况发生时,过流保护电路工作稳定可靠。该驱动电路可有效实现宽脉冲驱动信号的产生,具有较强的可靠性和实用性。
新型全固态高压多电平波形发生器的研制
姜松, 邱力文, 饶俊峰, 李孜
2019, 31: 115003. doi: 10.11884/HPLPB201931.190124
摘要:
为得到在生物医疗、器件物理特性等研究方面所需的高压多电平技术,提出了一种新型全固态高压多电平发生器结构。对比传统结构,该结构以更少开关管数量实现相同电平输出,这不仅减少了发生器的整体体积,更节约了成本,优化了系统的电磁兼容。详细阐述了电路的结构设计、工作原理以及阻性负载和容性负载下的控制时序,搭建了一台最大输出11级电平试验样机,实验表明,该高压多电平发生器采用改进型控制时序能够有效消除预脉冲现象,工作频率2 kHz,电压最高幅值±2 kV,能够在阻性和容性负载下稳定工作。
加速器技术
325 MHz中β超导Spoke腔的腔型对比和选择
张蒙, 贺斐思, 潘卫民
2019, 31: 115101. doi: 10.11884/HPLPB201931.190081
摘要:
中国科学院高能物理研究所一直在研究频率为325 MHz、中低β Spoke超导加速腔,以应用在加速器驱动的次临界系统(ADS)的强流质子直线加速器中。通过对超导腔设计方法和设计原则的研究,使用CST仿真软件设计了单Spoke腔、双Spoke腔、三bar Spoke腔三种Spoke腔型。其中三bar Spoke腔和双Spoke腔一样,都有着三个加速间隙,但是Spoke柱的结构不同。在腔型设计中,对三种Spoke腔的模型均作了参数化处理。然后通过CST的参数化扫描来优化腔体形状以使得峰值电场与加速梯度的比值最小,同时使峰值磁场与加速梯度的比值处于较低范围。本文对三种腔型进行了高频结构优化和参数分析,选用了双Spoke腔型作为设计方案,并对电磁场等进行了优化设计。
高能电子成像暗场成像技术特性研究及改进方案
肖家浩, 曹树春, 张子民, 李中平, 申晓康, 赵全堂, 程锐, 刘铭, 赵永涛, 袁平
2019, 31: 115102. doi: 10.11884/HPLPB201931.190003
摘要:
基于EGS5与PARMELA模拟软件组成的高能电子成像系统,对暗场成像的模拟研究发现,通过调节光阑位置实现的暗场成像结果存在失真现象。针对该失真现象提出的改进方案,消除了暗场成像结果的失真。通过对40 MeV电子透射7~224 μm的铝样品开展的成像模拟结果表明:40 MeV高能电子暗场成像技术在铝样品厚度小于25 μm情况下具有明显的面密度分辨优势,且空间分辨率达到μm量级,非常适用于高能量密度物质诊断。
驱动激光对砷化镓阴极材料的损伤阈值
童靖垒, 赵苏宇, 潘清, 肖德鑫, 吴岱, 黎明
2019, 31: 115103. doi: 10.11884/HPLPB201931.190014
摘要:
砷化镓作为优秀的光电发射材料,被广泛应用于制备阴极材料。砷化镓通常用到的驱动激光是532 nm连续波激光,在相同平均功率的情况下比纳秒脉冲激光的峰值功率低很多,因此在有某些超大电荷量的需求时,就不能避免使用高峰值功率激光照射。所以在砷化镓阴极的使用过程中,需要对其损伤阈值进行测量。基于上述背景,首先通过数值计算得到砷化镓材料的激光损伤阈值,再通过软件模拟加以验证,最后结合实验分析比较其差异。其中数值计算结果为17.811 MW/cm2,模拟结果为19 MW/cm2,而实验结果为13.5 MW/cm2。经过合理的分析,认为砷化镓在作为光阴极材料时的损伤阈值会进一步降低。
上海光源500 MHz超导腔水平测试
蒲小云, 侯洪涛, 马震宇, 毛冬青, 罗琛, 李正, 王岩, 是晶, 赵玉彬, 刘建飞
2019, 31: 115104. doi: 10.11884/HPLPB201931.190163
摘要:
上海光源是能量为3.5 GeV的第三代先进中能同步辐射光源,其储存环上安装了三台超导高频腔补偿电子因同步辐射等原因丢失的能量。为保障上海光源的长期稳定高效运行,中国科学院上海应用物理研究所和上海市低温超导高频腔技术重点实验室共同研制了具备低高次模损失参数和可承受更高入射功率的新型500 MHz超导腔,作为上海光源在线运行超导高频腔的备用腔。超导铌腔经低温垂直测试达到所需加速性能后,需要与高功率输入耦合器、高次模吸收器、低温恒温器等集成并完成水平测试,获得超导腔模组的加速性能、低温性能和真空性能。介绍了超导腔备用腔的研制、集成和测试过程,采用文丘里(Venturi)校准法获得模组的静态功耗反应模组的低温性能,并通过高功率测试获得了超导腔备用腔模组的加速性能。测试结果表明:自主研制的500 MHz超导腔备用腔满足上海光源的工作需求,在超导腔的加速腔压为2.0 MV时,无载品质因数为1.2×109@4.2 K,且低温模组的静态热损耗为36.1 W。
CSNS校正磁铁积分场均匀性测量研究
周建新, 康文, 李帅, 孙献静, 吴锡, 吴煜文, 刘艺琴, 李藜, 邓昌东
2019, 31: 115105. doi: 10.11884/HPLPB201931.190028
摘要:
中国散裂中子源(CSNS)加速器主要由一台直线加速器、一台1.6 GeV快循环加速器以及低能、高能输运线组成。其中有十二种类型校正磁铁,共计74台。校正磁铁是加速器运行的重要组成部件,必须测量其积分场及均匀性以确保加速器性能。为了快速和高效地完成磁铁测量任务,使用了旋转线圈测量系统。对测量原理、数据处理方法以及系统之间的测量结果对比进行了介绍。这对批量磁铁高效率测量是有帮助的。
ESS靶前束流剖面及束晕监测器样机的研制
牛海华, 李有堂, 张斌, 何源, Cyrille Thomas, 谢宏明, 贾欢, 王志军
2019, 31: 115106. doi: 10.11884/HPLPB201931.190167
摘要:
为了研究靶前高功率束流的物理特性,欧洲散裂中子源计划研制一套靶前多丝束流剖面监测器及束晕监测器样机,样机的在线测试将在日本质子加速器研究设施的3 GeV质子束传输束线上进行。针对此束线现场安装管道狭小、监测器样机传动机构行程大的特点,提出一种适用于小通道的多点定位多丝束流剖面探头,将其与束晕探头集成在一个样机上,结构紧凑,可实现双探头的独立驱动。使用ANSYS workbench对探头及传动杆进行了变形分析,完成了样机的研制,通过丝间距光学影像测量、真空检漏、小孔通过性测试及通断检测,确保了样机的可靠性。
核科学与工程
深度卷积神经网络在辐射环境下核废料检测中的应用
向伟, 史晋芳, 刘桂华, 徐锋
2019, 31: 116001. doi: 10.11884/HPLPB201931.190220
摘要:
针对辐射环境下核废料检测准确率低的问题,提出一种基于深度卷积神经网络的辐射环境下核废料检测算法Dense-Dilated-YOLO V3。实验结果表明,Dense-Dilated-YOLO V3在不增加参数的情况下扩大了网络感受野,也有效避免图像信息的损失,同时能够在核辐射环境下提取到更多的目标细节特征,对辐射环境下目标检测的准确率可达93.29%,比原算法提高5.53%,召回率可达91.73%,提高了8.28%,有效解决了复杂辐射环境下核废料检测准确率低的问题,为辐射环境下核废料检测提供了新的途径。