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RSS2016年 28卷 第12期
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2016, 28: 121001.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160113
摘要:
分析了红外焦平面阵列(IRFPA)基于定标的非均匀性校正法(NUC)和基于场景的NUC算法各自的优势和问题，在此基础上提出了联合非均匀性校正方法。根据上电时刻焦平面衬底的温度值，从FLASH中提取事先存储的对应温度区间的增益和偏置校正参数，初步消除探测器的非均匀性。通过分析初步校正后图像残余非均匀性噪声的特性，提出了一种自适应非均匀性校正算法NSCT，对经过NSCT分解后的子带图像，利用贝叶斯阈值逐点进行信号方差和噪声方差估计，计算出残余非均匀性噪声后并加以去除。实验结果表明，该算法能有效提高校正精度，并具有更强的环境适应性。
分析了红外焦平面阵列(IRFPA)基于定标的非均匀性校正法(NUC)和基于场景的NUC算法各自的优势和问题，在此基础上提出了联合非均匀性校正方法。根据上电时刻焦平面衬底的温度值，从FLASH中提取事先存储的对应温度区间的增益和偏置校正参数，初步消除探测器的非均匀性。通过分析初步校正后图像残余非均匀性噪声的特性，提出了一种自适应非均匀性校正算法NSCT，对经过NSCT分解后的子带图像，利用贝叶斯阈值逐点进行信号方差和噪声方差估计，计算出残余非均匀性噪声后并加以去除。实验结果表明，该算法能有效提高校正精度，并具有更强的环境适应性。
2016, 28: 122001.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160137
摘要:
通过一维条纹相机诊断系统对聚龙一号(JL-Ⅰ)四类单层丝阵负载进行了轴向X光辐射测量。由于瑞利-泰勒不稳定性的影响，大部分负载表现出两端发光比中间滞后、阳极端发光比阴极端滞后、阳极端发光总强度弱于阴极端的现象。通过不同类型丝阵对比，对于20 mm直径的丝阵，JL-Ⅰ驱动器的匹配负载线质量在0.9 mg/cm附近。轴向辐射同步性与辐射功率之间存在相关性。
通过一维条纹相机诊断系统对聚龙一号(JL-Ⅰ)四类单层丝阵负载进行了轴向X光辐射测量。由于瑞利-泰勒不稳定性的影响，大部分负载表现出两端发光比中间滞后、阳极端发光比阴极端滞后、阳极端发光总强度弱于阴极端的现象。通过不同类型丝阵对比，对于20 mm直径的丝阵，JL-Ⅰ驱动器的匹配负载线质量在0.9 mg/cm附近。轴向辐射同步性与辐射功率之间存在相关性。
2016, 28: 122002.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160440
摘要:
基于多层膜准单色覆盖50~1500 eV能谱的多能点发射光谱测量系统可获得聚龙一号装置Z-pinch等离子体X射线源的能谱结构和总能量等信息。考虑装置的条件,在13 nm处的多层膜需要工作在掠入射角60。常规的Mo/Si多层膜尽管反射率最高,但其带宽较大,不能满足多层膜准单色的要求。因此提出将Mo和C共同作为多层膜的吸收层材料与Si组成Si/Mo/C多层膜,可使反射率降低较小而带宽明显减小。采用磁控溅射方法制备了Si/Mo/C多层膜,其掠入射X射线反射测量表面多层膜的结构清晰完整,同步辐射工作条件下反射率测量，得到Si/Mo/C多层膜在13 nm处和掠入射角60时的反射率为56.5%，带宽为0.49 nm（3.7 eV）。
基于多层膜准单色覆盖50~1500 eV能谱的多能点发射光谱测量系统可获得聚龙一号装置Z-pinch等离子体X射线源的能谱结构和总能量等信息。考虑装置的条件,在13 nm处的多层膜需要工作在掠入射角60。常规的Mo/Si多层膜尽管反射率最高,但其带宽较大,不能满足多层膜准单色的要求。因此提出将Mo和C共同作为多层膜的吸收层材料与Si组成Si/Mo/C多层膜,可使反射率降低较小而带宽明显减小。采用磁控溅射方法制备了Si/Mo/C多层膜,其掠入射X射线反射测量表面多层膜的结构清晰完整,同步辐射工作条件下反射率测量，得到Si/Mo/C多层膜在13 nm处和掠入射角60时的反射率为56.5%，带宽为0.49 nm（3.7 eV）。
2016, 28: 123001.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160459
摘要:
针对现有基于特定模式成分所设计的高功率mTM0n-TEM/TM01混合模式转换器的工作原理,提出了一种大过模比结构下高功率TM0n混合模式的转换方法,可以实现将状态相对稳定且成分已知的GW量级任意模式成分比例、任意相位差的高功率TM0n混合模式微波高效转换为单一的TEM模或TM01模。利用该设计原则对之前所设计的高功率TM0n混合模式转换器进行优化改进,在保留了原有器件功率容量和频带特性的同时,大幅简化器件设计结构。
针对现有基于特定模式成分所设计的高功率mTM0n-TEM/TM01混合模式转换器的工作原理,提出了一种大过模比结构下高功率TM0n混合模式的转换方法,可以实现将状态相对稳定且成分已知的GW量级任意模式成分比例、任意相位差的高功率TM0n混合模式微波高效转换为单一的TEM模或TM01模。利用该设计原则对之前所设计的高功率TM0n混合模式转换器进行优化改进,在保留了原有器件功率容量和频带特性的同时,大幅简化器件设计结构。
2016, 28: 123002.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160159
摘要:
基于两个级联偏振调制器，提出了一种高频谱纯度、稳定的六倍频微波信号产生方法。该方法通过适当调整偏振片的偏振方向、射频驱动信号电压和相位，实现无光滤波器条件下、任何波段六倍频微波信号的产生。利用Optisystem平台搭建的仿真系统，以S波段4 GHz信号为例，验证了该设计系统产生的六倍频信号质量，并分析了非理想射频驱动电压和相位对六倍频信号质量的影响，结果表明：该设计系统能产生最大光边带抑制比、射频无杂散抑制比分别为21.3，15.2 dB的六倍频微波信号；且非理想驱动电压和相位差的偏离应控制在理想值5%的范围之内。
基于两个级联偏振调制器，提出了一种高频谱纯度、稳定的六倍频微波信号产生方法。该方法通过适当调整偏振片的偏振方向、射频驱动信号电压和相位，实现无光滤波器条件下、任何波段六倍频微波信号的产生。利用Optisystem平台搭建的仿真系统，以S波段4 GHz信号为例，验证了该设计系统产生的六倍频信号质量，并分析了非理想射频驱动电压和相位对六倍频信号质量的影响，结果表明：该设计系统能产生最大光边带抑制比、射频无杂散抑制比分别为21.3，15.2 dB的六倍频微波信号；且非理想驱动电压和相位差的偏离应控制在理想值5%的范围之内。
2016, 28: 123003.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160434
摘要:
强流相对论多注速调管相对于单注速调管具有导流系数低，输出功率高和效率高的优点，并且可以明显降低引导磁场强度，因此得到快速发展。但是其多注电子束引入漂移管效率低的问题，影响了多注速调管的整管效率，限制了其稳定高效运行和应用推广。论文采用粒子仿真软件CHIPIC对多注速调管二极管爆炸发射过程进行仿真研究，寻找影响多注速调管引入效率的主要因素，并对阴极结构进行了优化，设计出三种两段式新型多注阴极结构并进行冷阴极爆炸发射模拟研究。研究结果表明：给定参数下，常规结构由于底座边缘的不必要的环形电子束发射，只能达到82%的引入效率，而三种新型阴极结构通过抑制不必要电子发射，引入效率都可以提高至95%以上，最高达到99%。
强流相对论多注速调管相对于单注速调管具有导流系数低，输出功率高和效率高的优点，并且可以明显降低引导磁场强度，因此得到快速发展。但是其多注电子束引入漂移管效率低的问题，影响了多注速调管的整管效率，限制了其稳定高效运行和应用推广。论文采用粒子仿真软件CHIPIC对多注速调管二极管爆炸发射过程进行仿真研究，寻找影响多注速调管引入效率的主要因素，并对阴极结构进行了优化，设计出三种两段式新型多注阴极结构并进行冷阴极爆炸发射模拟研究。研究结果表明：给定参数下，常规结构由于底座边缘的不必要的环形电子束发射，只能达到82%的引入效率，而三种新型阴极结构通过抑制不必要电子发射，引入效率都可以提高至95%以上，最高达到99%。
2016, 28: 123201.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160421
摘要:
外界电磁场通过孔缝耦合进入屏蔽腔，并经由线缆对腔内电子设备造成干扰，这是电磁兼容中需要考虑的重要问题，而数值法分析此类尺寸跨度大的电磁问题效率过低。基于电磁拓扑和等效电路法，提出一种快速计算外界平面波辐照下开孔屏蔽腔内传输线负载所受电磁干扰的解析算法。首先利用电磁拓扑将整个耦合问题分解为两个独立的子问题：外界平面波辐照下开孔空腔内的耦合场问题与耦合场辐照下孤立传输线的响应问题，然后提出基于等效电路法求解空腔内耦合电场的计算方法，最后利用场线耦合BLT方程求解耦合电场对孤立传输线负载造成的电磁干扰。经CST仿真验证，该解析算法能有效计算任意位置开(多)孔屏蔽腔内任意放置传输线负载所受的电磁干扰。相比于数值法，该解析算法不仅花费更少的计算时间与资源，且能用于参数影响规律的研究。
外界电磁场通过孔缝耦合进入屏蔽腔，并经由线缆对腔内电子设备造成干扰，这是电磁兼容中需要考虑的重要问题，而数值法分析此类尺寸跨度大的电磁问题效率过低。基于电磁拓扑和等效电路法，提出一种快速计算外界平面波辐照下开孔屏蔽腔内传输线负载所受电磁干扰的解析算法。首先利用电磁拓扑将整个耦合问题分解为两个独立的子问题：外界平面波辐照下开孔空腔内的耦合场问题与耦合场辐照下孤立传输线的响应问题，然后提出基于等效电路法求解空腔内耦合电场的计算方法，最后利用场线耦合BLT方程求解耦合电场对孤立传输线负载造成的电磁干扰。经CST仿真验证，该解析算法能有效计算任意位置开(多)孔屏蔽腔内任意放置传输线负载所受的电磁干扰。相比于数值法，该解析算法不仅花费更少的计算时间与资源，且能用于参数影响规律的研究。
2016, 28: 123202.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160437
摘要:
以双腔体级联系统为实验对象,测量了系统的输出端感应电压,对实验结果进行统计分析,并与随机拓扑模型计算结果进行对比,两者基本吻合,验证了随机拓扑模型的适用性；利用该模型计算分析了不同脉冲参数及不同拓扑结构条件下多混沌腔体复杂系统的电磁耦合统计特性。研究表明,脉冲宽度和脉冲个数与概率峰值处的感应电压均存在一定的谐振特性,且脉冲频率越低,脉冲的耦合效率越高,采用串型的拓扑结构更加有利于系统的防护和加固。
以双腔体级联系统为实验对象,测量了系统的输出端感应电压,对实验结果进行统计分析,并与随机拓扑模型计算结果进行对比,两者基本吻合,验证了随机拓扑模型的适用性；利用该模型计算分析了不同脉冲参数及不同拓扑结构条件下多混沌腔体复杂系统的电磁耦合统计特性。研究表明,脉冲宽度和脉冲个数与概率峰值处的感应电压均存在一定的谐振特性,且脉冲频率越低,脉冲的耦合效率越高,采用串型的拓扑结构更加有利于系统的防护和加固。
2016, 28: 124001.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160148
摘要:
目标界面位置信息是闪光照相中关注的内容之一，而闪光图像的低信噪比影响了微结构界面位置的准确提取。研究了基于马尔可夫随机场的闪光图像分割算法，在闪光图像分割过程中采用马尔可夫模型描述被分割像素之间的相关性，减少了由噪声所引起的孤立虚假目标，提出利用中空邻域模板内的起伏定义标号场模型中的基团势函数，改进了闪光图像的分割方法，提高了微结构分割精度。数值实验表明，改进后的马尔可夫随机场分割方法能取得更好的分割结果。
目标界面位置信息是闪光照相中关注的内容之一，而闪光图像的低信噪比影响了微结构界面位置的准确提取。研究了基于马尔可夫随机场的闪光图像分割算法，在闪光图像分割过程中采用马尔可夫模型描述被分割像素之间的相关性，减少了由噪声所引起的孤立虚假目标，提出利用中空邻域模板内的起伏定义标号场模型中的基团势函数，改进了闪光图像的分割方法，提高了微结构分割精度。数值实验表明，改进后的马尔可夫随机场分割方法能取得更好的分割结果。
2016, 28: 124002.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160079
摘要:
针对微孔阵列对铜表面二次电子发射系数(SEY)的抑制效应进行实验研究以提高电真空器件性能。首先利用Casino软件模拟了入射能量分别为0.5 keV和3 keV的电子束垂直入射到方形微孔阵列表面的SEY，分析了方孔阵列的深宽比和孔隙率对本征二次电子发射系数(ISEY)、背散射二次电子发射系数(BSEY)及总二次电子发射系数(TSEY)的影响。然后采用半导体光刻工艺在铜箔表面制备具有不同形貌参数的圆孔阵列，采用激光扫描显微镜进行形貌分析和几何结构参数提取，采用二次电子测试平台进行TSEY测试。仿真结果表明：微孔阵列的深宽比、孔隙率越大，其SEY抑制特性越明显；随着微孔阵列深宽比逐渐增大，SEY逐渐趋于饱和；入射电子束能量较低时，微孔阵列对SEY抑制效应比入射能量较高时更为明显。实验结果表明：微孔阵列能有效抑制铜表面SEY，实测结果与仿真结果规律一致，为微孔阵列结构用于铜表面SEY抑制提供了依据。
针对微孔阵列对铜表面二次电子发射系数(SEY)的抑制效应进行实验研究以提高电真空器件性能。首先利用Casino软件模拟了入射能量分别为0.5 keV和3 keV的电子束垂直入射到方形微孔阵列表面的SEY，分析了方孔阵列的深宽比和孔隙率对本征二次电子发射系数(ISEY)、背散射二次电子发射系数(BSEY)及总二次电子发射系数(TSEY)的影响。然后采用半导体光刻工艺在铜箔表面制备具有不同形貌参数的圆孔阵列，采用激光扫描显微镜进行形貌分析和几何结构参数提取，采用二次电子测试平台进行TSEY测试。仿真结果表明：微孔阵列的深宽比、孔隙率越大，其SEY抑制特性越明显；随着微孔阵列深宽比逐渐增大，SEY逐渐趋于饱和；入射电子束能量较低时，微孔阵列对SEY抑制效应比入射能量较高时更为明显。实验结果表明：微孔阵列能有效抑制铜表面SEY，实测结果与仿真结果规律一致，为微孔阵列结构用于铜表面SEY抑制提供了依据。
2016, 28: 124003.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160067
摘要:
环形编码孔成像技术具有高的探测效率和信噪比，是一种解决低强度脉冲辐射源成像较好的技术。基于该技术，利用Geant4建立环形编码孔中子成像的模拟过程，获取6个不同位置的点扩散函数(PSF)和编码图像。根据空间移变图像分块原理，将图像分成矩形和圆形分块，每一块图像用RL迭代法复原，去除边界明显畸变的像素，这些像素强度由相邻的图像块像素到边界距离的加权系数叠加而成。模拟结果表明，该方法提高了图像复原效果，能够更好地诊断射线区域的空间分布情况。
环形编码孔成像技术具有高的探测效率和信噪比，是一种解决低强度脉冲辐射源成像较好的技术。基于该技术，利用Geant4建立环形编码孔中子成像的模拟过程，获取6个不同位置的点扩散函数(PSF)和编码图像。根据空间移变图像分块原理，将图像分成矩形和圆形分块，每一块图像用RL迭代法复原，去除边界明显畸变的像素，这些像素强度由相邻的图像块像素到边界距离的加权系数叠加而成。模拟结果表明，该方法提高了图像复原效果，能够更好地诊断射线区域的空间分布情况。
2016, 28: 124004.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160121
摘要:
为满足对中子散射谱仪关键部件的检测需求，提出一种基于反应堆中子源的中子标准测试束平台概念设计思路。该平台具有测试束流波长（0.1~0.3 nm）连续可调、n/可同步分析、样品台可多自由度移动以及便于后续拓展集成等优点。利用蒙特卡罗程序VITESS对平台整体结构，具体包括聚焦单色器、soller准直器等展开模拟优化分析。该装置利用可拆卸的准直器1实现高通量和较高分辨两种工作模式:工作于高通量模式时，样品台处中子（波长0.1 nm）束流强度最高可达6.15106 n/（cm2s），水平发散度1;工作于较高分辨模式时，分辨率可达0.2％。
为满足对中子散射谱仪关键部件的检测需求，提出一种基于反应堆中子源的中子标准测试束平台概念设计思路。该平台具有测试束流波长（0.1~0.3 nm）连续可调、n/可同步分析、样品台可多自由度移动以及便于后续拓展集成等优点。利用蒙特卡罗程序VITESS对平台整体结构，具体包括聚焦单色器、soller准直器等展开模拟优化分析。该装置利用可拆卸的准直器1实现高通量和较高分辨两种工作模式:工作于高通量模式时，样品台处中子（波长0.1 nm）束流强度最高可达6.15106 n/（cm2s），水平发散度1;工作于较高分辨模式时，分辨率可达0.2％。
2016, 28: 124005.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160414
摘要:
在星光Ⅲ实验装置上开展皮秒激光脉冲中子源实验，使用液体闪烁体探测器测得较好的中子信号，利用飞行时间法获得中子的能量/时间分布，通过示波器电压时间积分与阻抗之比得到不同能量段的电荷值。建立液体闪烁体探测器Geant4计算模型，通过实际打靶情况与标定情况下液体闪烁体探测器出光口收集到的可见光光子数之比，结合标定的灵敏度数据，获得液体闪烁体探测器对不同能量中子的灵敏度。计算得到源发射的中子能谱，能量在1 MeV以上的液体闪烁体探测器方向测得的中子产额为1.04108 sr-1。
在星光Ⅲ实验装置上开展皮秒激光脉冲中子源实验，使用液体闪烁体探测器测得较好的中子信号，利用飞行时间法获得中子的能量/时间分布，通过示波器电压时间积分与阻抗之比得到不同能量段的电荷值。建立液体闪烁体探测器Geant4计算模型，通过实际打靶情况与标定情况下液体闪烁体探测器出光口收集到的可见光光子数之比，结合标定的灵敏度数据，获得液体闪烁体探测器对不同能量中子的灵敏度。计算得到源发射的中子能谱，能量在1 MeV以上的液体闪烁体探测器方向测得的中子产额为1.04108 sr-1。
2016, 28: 124101.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160135
摘要:
采用三种商业3D打印机尝试加工了金属材质和树脂材质的微型靶零件。通过EOSINT M290 3D打印机以激光烧结的方式加工了钛金属靶架；通过Object 30 Pro 3D打印机以聚丙烯树脂为材料,通过喷射打印的方式加工了构型复杂的树脂靶架；通过Freeform Pico 3D打印机以蜡质树脂为材料,通过光固化成型的加工方式,获得了微腔、圆柱和平面元件,并在其表面设计了周期性图形结构。采用光学工具显微镜和共聚焦显微镜对样品的尺寸和表面形貌进行了表征。结果表明：金属靶架的线粗糙度为7.3~17.79m,抛光之后降低为0.87~1.66m；树脂靶架的面均方根粗糙度为2.88m；微腔和圆柱元件端面的面均方根粗糙度为2.03m,表面的条纹周期与设计值偏差为1.40%,平均振幅值偏差为55.50%；平面元件的面均方根粗糙度为4.87m,表面调制图形的周期与设计值偏差为0.80%,平均振幅偏差为3.60%。通过商业3D打印机加工靶零件,为惯性约束聚变实验中微靶零件的加工提供了新思路。
采用三种商业3D打印机尝试加工了金属材质和树脂材质的微型靶零件。通过EOSINT M290 3D打印机以激光烧结的方式加工了钛金属靶架；通过Object 30 Pro 3D打印机以聚丙烯树脂为材料,通过喷射打印的方式加工了构型复杂的树脂靶架；通过Freeform Pico 3D打印机以蜡质树脂为材料,通过光固化成型的加工方式,获得了微腔、圆柱和平面元件,并在其表面设计了周期性图形结构。采用光学工具显微镜和共聚焦显微镜对样品的尺寸和表面形貌进行了表征。结果表明：金属靶架的线粗糙度为7.3~17.79m,抛光之后降低为0.87~1.66m；树脂靶架的面均方根粗糙度为2.88m；微腔和圆柱元件端面的面均方根粗糙度为2.03m,表面的条纹周期与设计值偏差为1.40%,平均振幅值偏差为55.50%；平面元件的面均方根粗糙度为4.87m,表面调制图形的周期与设计值偏差为0.80%,平均振幅偏差为3.60%。通过商业3D打印机加工靶零件,为惯性约束聚变实验中微靶零件的加工提供了新思路。
2016, 28: 124102.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160161
摘要:
随着微电子工艺的发展，小尺寸、高密度及低电压的器件越来越多地应用于航空电子设备。许多科研人员发现高层大气及外太空的带电粒子带来的粒子辐射会对航空电子器件产生严重的影响。基于民用航空局方的要求，鉴于机载设备对单粒子翻转效应的隐患以及航空机载设备国产化的迫切需求，开展FPGA器件用于机载电子设备可能遭遇的单粒子翻转效应的风险问题研究。分析了主流FPGA在航空飞行高度的飞行实验数据，进一步论证其是否满足民用航空的需求。大量数据的分析结果证明，以当下主流FPGA芯片的工艺尺寸、工作电压的条件，单粒子翻转效应是一个不容忽视的问题。即便是航空飞行高度甚至是地面高度，FPGA芯片因单粒子翻转导致失效也是无法满足民用航空设备的安全性要求。
随着微电子工艺的发展，小尺寸、高密度及低电压的器件越来越多地应用于航空电子设备。许多科研人员发现高层大气及外太空的带电粒子带来的粒子辐射会对航空电子器件产生严重的影响。基于民用航空局方的要求，鉴于机载设备对单粒子翻转效应的隐患以及航空机载设备国产化的迫切需求，开展FPGA器件用于机载电子设备可能遭遇的单粒子翻转效应的风险问题研究。分析了主流FPGA在航空飞行高度的飞行实验数据，进一步论证其是否满足民用航空的需求。大量数据的分析结果证明，以当下主流FPGA芯片的工艺尺寸、工作电压的条件，单粒子翻转效应是一个不容忽视的问题。即便是航空飞行高度甚至是地面高度，FPGA芯片因单粒子翻转导致失效也是无法满足民用航空设备的安全性要求。
2016, 28: 124103.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160428
摘要:
基于金属量子点的局域等离激元效应,提出一种新的固体介质表面微结构的制备方法。利用飞秒激光辐照涂有Cu2S量子点的K9玻璃,在其表面制备出了类似光栅结构的亚波长周期性条纹。当飞秒激光的中心波长为1300 nm、脉宽为50 fs、激光功率为230 mW时,玻璃表面的亚波长周期性条纹结构尺寸为34 nm。通过模拟得到了附有Cu2S量子点玻璃表面的近场分布,模拟结果表明，出现这种周期性条纹结构是入射飞秒激光与量子点产生的等离激元场之间产生干涉引起的。该制备方法可以降低透明介质微构造的激光功率阈值,改善了透明基质表面的微纳结构加工工艺。
基于金属量子点的局域等离激元效应,提出一种新的固体介质表面微结构的制备方法。利用飞秒激光辐照涂有Cu2S量子点的K9玻璃,在其表面制备出了类似光栅结构的亚波长周期性条纹。当飞秒激光的中心波长为1300 nm、脉宽为50 fs、激光功率为230 mW时,玻璃表面的亚波长周期性条纹结构尺寸为34 nm。通过模拟得到了附有Cu2S量子点玻璃表面的近场分布,模拟结果表明，出现这种周期性条纹结构是入射飞秒激光与量子点产生的等离激元场之间产生干涉引起的。该制备方法可以降低透明介质微构造的激光功率阈值,改善了透明基质表面的微纳结构加工工艺。
2016, 28: 125001.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160128
摘要:
氩气中一般含有大量亚稳态原子，在强外电场作用下容易产生自由电子，能够促进放电通道快速形成。采用场畸变型气体开关，在直流电压下设计了实验平台来探究气体开关中采用SF6-Ar或N2-Ar混合气体后放电时延及抖动的变化情况。改变多种气体状态进行一系列实验，并得出场畸变气体火花开关中SF6-Ar及N2-Ar的击穿特性，根据工程需要对气体种类及混合比例进行最优化设计。实验表明SF6-Ar中Ar质量分数达到20%及以上时，开关放电时延及抖动明显减小。
氩气中一般含有大量亚稳态原子，在强外电场作用下容易产生自由电子，能够促进放电通道快速形成。采用场畸变型气体开关，在直流电压下设计了实验平台来探究气体开关中采用SF6-Ar或N2-Ar混合气体后放电时延及抖动的变化情况。改变多种气体状态进行一系列实验，并得出场畸变气体火花开关中SF6-Ar及N2-Ar的击穿特性，根据工程需要对气体种类及混合比例进行最优化设计。实验表明SF6-Ar中Ar质量分数达到20%及以上时，开关放电时延及抖动明显减小。
2016, 28: 125002.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160158
摘要:
通过气体放电产生更高浓度的低温等离子体要求具有纳秒上升沿和纳秒脉宽的高重频快脉冲，而目前被广泛使用的MOSFET和IGBT都无法满足这些参数要求，而双极结型晶体管(BJT）的集电极与发射极之间的雪崩击穿过程具有快导通、快恢复、高稳定性等优点,适合作为小型Marx发生器的自击穿开关。文中对用多种型号的BJT进行击穿特性比较测试实验，发现可以通过改变BJT的门极和发射极的并联电阻来调节其雪崩击穿电压，实现一定范围的工作电压。雪崩击穿恢复特性实验表明，当击穿电流衰减到低于维持电流时，BJT就会开始恢复绝缘而关断，通过改变电路中的参数以控制击穿电流的变化就可以控制BJT的雪崩击穿导通时间（即导通脉宽）。将这些结论应用到实际电路中，可获得上升沿5 ns、脉宽为10 ns、幅值2 kV、重复频率高达100 kHz的纳秒快脉冲，可用于激发高浓度低温等离子体。
通过气体放电产生更高浓度的低温等离子体要求具有纳秒上升沿和纳秒脉宽的高重频快脉冲，而目前被广泛使用的MOSFET和IGBT都无法满足这些参数要求，而双极结型晶体管(BJT）的集电极与发射极之间的雪崩击穿过程具有快导通、快恢复、高稳定性等优点,适合作为小型Marx发生器的自击穿开关。文中对用多种型号的BJT进行击穿特性比较测试实验，发现可以通过改变BJT的门极和发射极的并联电阻来调节其雪崩击穿电压，实现一定范围的工作电压。雪崩击穿恢复特性实验表明，当击穿电流衰减到低于维持电流时，BJT就会开始恢复绝缘而关断，通过改变电路中的参数以控制击穿电流的变化就可以控制BJT的雪崩击穿导通时间（即导通脉宽）。将这些结论应用到实际电路中，可获得上升沿5 ns、脉宽为10 ns、幅值2 kV、重复频率高达100 kHz的纳秒快脉冲，可用于激发高浓度低温等离子体。
2016, 28: 125003.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160167
摘要:
为研究以压敏电阻和瞬态抑制（TVS）二极管为代表的典型钳压型浪涌防护元件的纳秒脉冲响应特性,为电磁脉冲干扰防护元件的选型提供科学依据，分别基于百ns和2 ns上升前沿电磁脉冲直接注入的方式，实验测试并对比分析两类元件在不同脉冲上升沿时间、电压幅值等情况下的响应差异，并阐明产生过冲响应差异的物理机理。结果表明：两类防护元件的响应时间均与注入纳秒脉冲上升沿时间有关，且随着上升沿的增加而变长，其中TVS二极管在相同上升脉冲情况下具有更为敏感的响应速度；当注入脉冲电压幅值增加时，PN结热积累加快，击穿速度加快，元件响应时间更短，相比于TVS稳定的钳位幅值，压敏电阻在钳位幅值附近处振荡明显；当快速脉冲到达时，压敏电阻和TVS二极管响应曲线在钳位幅值稳定前均发生过冲现象，并且两类防护元件的过冲电压均随着注入脉冲幅值的增加而增加；尽管钳位电压幅值由自身防护特性决定，但在相同注入脉冲条件下，同类不同型号的防护元件过冲电压几乎相同，通常压敏电阻过冲电压小于钳位电压，而TVS二极管则相反，并且随着钳位幅值变小，过冲电压与钳位电压的比值变大，这意味着过冲现象对低压TVS二极管性能影响更为严重。
为研究以压敏电阻和瞬态抑制（TVS）二极管为代表的典型钳压型浪涌防护元件的纳秒脉冲响应特性,为电磁脉冲干扰防护元件的选型提供科学依据，分别基于百ns和2 ns上升前沿电磁脉冲直接注入的方式，实验测试并对比分析两类元件在不同脉冲上升沿时间、电压幅值等情况下的响应差异，并阐明产生过冲响应差异的物理机理。结果表明：两类防护元件的响应时间均与注入纳秒脉冲上升沿时间有关，且随着上升沿的增加而变长，其中TVS二极管在相同上升脉冲情况下具有更为敏感的响应速度；当注入脉冲电压幅值增加时，PN结热积累加快，击穿速度加快，元件响应时间更短，相比于TVS稳定的钳位幅值，压敏电阻在钳位幅值附近处振荡明显；当快速脉冲到达时，压敏电阻和TVS二极管响应曲线在钳位幅值稳定前均发生过冲现象，并且两类防护元件的过冲电压均随着注入脉冲幅值的增加而增加；尽管钳位电压幅值由自身防护特性决定，但在相同注入脉冲条件下，同类不同型号的防护元件过冲电压几乎相同，通常压敏电阻过冲电压小于钳位电压，而TVS二极管则相反，并且随着钳位幅值变小，过冲电压与钳位电压的比值变大，这意味着过冲现象对低压TVS二极管性能影响更为严重。
2016, 28: 125004.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160138
摘要:
为方便描述聚龙一号装置与Z箍缩负载的电磁耦合过程，基于大量电参数实验数据和全电路模拟分析，建立了一个简化的集总电路模型，获得了等效电压波形和等效电阻、电感等集总参量。采用水介质三板输出线出口位置的开路电压作为等效电压，进一步拟合为正弦平方函数，峰值为3.3 MV（当前驱动器充压为65 kV），零到峰值的时间长度为102.5ns。采用简化的流阻抗模型描述磁绝缘传输线内部空间电子流的电流损失效应。将电路程序与零维负载动力学程序耦合模拟，得到了与实验结果符合的负载电流波形，尤其电流波形的前沿和峰值符合较好，分析了电磁能转化为负载动能的过程。
为方便描述聚龙一号装置与Z箍缩负载的电磁耦合过程，基于大量电参数实验数据和全电路模拟分析，建立了一个简化的集总电路模型，获得了等效电压波形和等效电阻、电感等集总参量。采用水介质三板输出线出口位置的开路电压作为等效电压，进一步拟合为正弦平方函数，峰值为3.3 MV（当前驱动器充压为65 kV），零到峰值的时间长度为102.5ns。采用简化的流阻抗模型描述磁绝缘传输线内部空间电子流的电流损失效应。将电路程序与零维负载动力学程序耦合模拟，得到了与实验结果符合的负载电流波形，尤其电流波形的前沿和峰值符合较好，分析了电磁能转化为负载动能的过程。
2016, 28: 125005.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160157
摘要:
在激光等离子体机理的研究中，为实现灵活的界面配置和多路脉冲激光器高精度的时序延时，设计了一种基于微控制器STM32和FPGA的多路时序延时控制系统。重点介绍了基于FPGA的多路ns级时序信号和基于ucGUI的触摸屏界面的设计。另外，采用高速光电隔离技术和高速FET开关电路技术，对驱动电路进行了设计，缩短了输出脉冲上升沿的时间，提高了系统延时精度、驱动能力和抗干扰性能。测试结果表明，该设计每路延时可调，调节范围为5 ns~10 ms，最小可调步进为5 ns，延时误差小于1 ns。
在激光等离子体机理的研究中，为实现灵活的界面配置和多路脉冲激光器高精度的时序延时，设计了一种基于微控制器STM32和FPGA的多路时序延时控制系统。重点介绍了基于FPGA的多路ns级时序信号和基于ucGUI的触摸屏界面的设计。另外，采用高速光电隔离技术和高速FET开关电路技术，对驱动电路进行了设计，缩短了输出脉冲上升沿的时间，提高了系统延时精度、驱动能力和抗干扰性能。测试结果表明，该设计每路延时可调，调节范围为5 ns~10 ms，最小可调步进为5 ns，延时误差小于1 ns。
2016, 28: 125101.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160096
摘要:
通过搭建谐振电路的方法对国产磁合金环性能进行了测试。测试的主要参数包括磁合金环的磁导率、Q值及其并联阻抗值等。测试结果表明：该磁合金环的Q值很低，随频率的变化不明显；磁导率很大，随频率的增加而减小；并联阻抗值随频率增加而变大。在100 ℃温度以内，其性能参数变化很小。
通过搭建谐振电路的方法对国产磁合金环性能进行了测试。测试的主要参数包括磁合金环的磁导率、Q值及其并联阻抗值等。测试结果表明：该磁合金环的Q值很低，随频率的变化不明显；磁导率很大，随频率的增加而减小；并联阻抗值随频率增加而变大。在100 ℃温度以内，其性能参数变化很小。
2016, 28: 125102.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160114
摘要:
北京大学3.5-cell直流超导(DC-SRF)光阴极注入器需要一台连续波功率20 kW的1.3 GHz微波功率源。为此北京大学和北京北广科技股份有限公司联合研制了一台由88个放大模块组成的固态微波功率放大器，这是国内首台L波段连续波大功率固态功率源。在简要介绍这台微波功率放大器设计的基础上，主要描述其调试过程和重要参数检测并着重讨论了全反射问题。测试结果显示这台功率源的各项参数均达到设计指标，在输出功率20 kW时的效率为34%，增益大于85 dB；在整个功率输出范围其增益和相移的变化分别为1.6 dB和9.5。目前这台功率源已在DC-SRF光阴极注入器调试运行中稳定工作超过2000 h。
北京大学3.5-cell直流超导(DC-SRF)光阴极注入器需要一台连续波功率20 kW的1.3 GHz微波功率源。为此北京大学和北京北广科技股份有限公司联合研制了一台由88个放大模块组成的固态微波功率放大器，这是国内首台L波段连续波大功率固态功率源。在简要介绍这台微波功率放大器设计的基础上，主要描述其调试过程和重要参数检测并着重讨论了全反射问题。测试结果显示这台功率源的各项参数均达到设计指标，在输出功率20 kW时的效率为34%，增益大于85 dB；在整个功率输出范围其增益和相移的变化分别为1.6 dB和9.5。目前这台功率源已在DC-SRF光阴极注入器调试运行中稳定工作超过2000 h。
2016, 28: 125103.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160122
摘要:
在干涉仪图像数据处理过程中，目前采用的多行平均图像处理算法会引入较大随机误差，且当CCD相机与狭缝之间存在小转角时，会引入较大系统误差。本文主要探究利用主成分分析（PCA）算法处理空间干涉仪图像的可行性与优势。利用MATLAB模拟空间干涉仪图像，并加入随机噪声和图像旋转，利用PCA方法和多行平均算法处理数据，比较两种算法的得到的结果误差大小。并设计CCD相机小转角实验和干涉图像弱信号实验，评估PCA算法在数据处理过程中纠正CCD相机小转角和重建弱信号图像中的效果。理论和实验均证明，PCA算法较目前多行平均算法，能更有效地降低噪声，分析弱信号图像及纠正CCD相机小转角，消除其带来的系统误差。
在干涉仪图像数据处理过程中，目前采用的多行平均图像处理算法会引入较大随机误差，且当CCD相机与狭缝之间存在小转角时，会引入较大系统误差。本文主要探究利用主成分分析（PCA）算法处理空间干涉仪图像的可行性与优势。利用MATLAB模拟空间干涉仪图像，并加入随机噪声和图像旋转，利用PCA方法和多行平均算法处理数据，比较两种算法的得到的结果误差大小。并设计CCD相机小转角实验和干涉图像弱信号实验，评估PCA算法在数据处理过程中纠正CCD相机小转角和重建弱信号图像中的效果。理论和实验均证明，PCA算法较目前多行平均算法，能更有效地降低噪声，分析弱信号图像及纠正CCD相机小转角，消除其带来的系统误差。
2016, 28: 125104.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160104
摘要:
同步加速器Barrier Bucket高频系统用于克服空间电荷效应的影响，并对束团进行预压缩从而实现束团的多次累积来提高束流的流强。实现Barrier Bucket束流多次累积，要求在同步环高频加速腔上产生一个单正弦电压信号。针对单正弦波形的特点，讨论在同轴加载腔上产生该电压波形的方法和条件。通过对单正弦信号的频谱分析得出信号对加速腔高频系统的带宽要求，运用等效并联电路的方法并将同轴加载腔作线性时不变近似，求出输出的腔体电压与输入的激励电流间的关系。Barrier Bucket电压信号对加速腔整个高频系统的带宽要求至少应为单正弦频率的两倍。输入的激励电流为单正弦信号的基础上叠加上一个直流脉冲偏置，偏置大小为腔体Q值。最后，根据分析的结果在兰州重离子加速器冷却储存实验环（CSRe）高频系统的铁氧体加载腔和新研制的磁合金加载腔系统上进行测试,并对测试结果作相关讨论。
同步加速器Barrier Bucket高频系统用于克服空间电荷效应的影响，并对束团进行预压缩从而实现束团的多次累积来提高束流的流强。实现Barrier Bucket束流多次累积，要求在同步环高频加速腔上产生一个单正弦电压信号。针对单正弦波形的特点，讨论在同轴加载腔上产生该电压波形的方法和条件。通过对单正弦信号的频谱分析得出信号对加速腔高频系统的带宽要求，运用等效并联电路的方法并将同轴加载腔作线性时不变近似，求出输出的腔体电压与输入的激励电流间的关系。Barrier Bucket电压信号对加速腔整个高频系统的带宽要求至少应为单正弦频率的两倍。输入的激励电流为单正弦信号的基础上叠加上一个直流脉冲偏置，偏置大小为腔体Q值。最后，根据分析的结果在兰州重离子加速器冷却储存实验环（CSRe）高频系统的铁氧体加载腔和新研制的磁合金加载腔系统上进行测试,并对测试结果作相关讨论。
2016, 28: 125105.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160120
摘要:
海光源恒流注入的运行模式，需要直线加速器提供持续、稳定和高品质的束流。阐述了八条形电极束流位置探测器(BPM)的工作原理及其对直线加速器至增强器低能运输线的束流进行能散的测量，并以（微波）幅度或相位作为调节参数，采用比例积分(PI)控制算法对束流能散进行反馈控制，实现了束流能量的长期稳定性，保证了直线加速器束流的高效率注入。
海光源恒流注入的运行模式，需要直线加速器提供持续、稳定和高品质的束流。阐述了八条形电极束流位置探测器(BPM)的工作原理及其对直线加速器至增强器低能运输线的束流进行能散的测量，并以（微波）幅度或相位作为调节参数，采用比例积分(PI)控制算法对束流能散进行反馈控制，实现了束流能量的长期稳定性，保证了直线加速器束流的高效率注入。
2016, 28: 125106.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160144
摘要:
振动线理论提供了一种高精度准直方法，将振动线理论应用于共架磁铁准直，可大大提高共架磁铁间的准直精度。介绍了应用振动线准直共架磁铁的实施方案，从总体方案出发，以振动线理论为依据提出了一种振动线系统数据采集和数据处理设计方案，并对传感器工作点对准、导线电流测量、数据采集设备选取、磁感应强度计算、磁场中心计算等关键问题进行分析，给出了解决方案。最后通过实验验证了方案的可行性以及系统的测量精度。
振动线理论提供了一种高精度准直方法，将振动线理论应用于共架磁铁准直，可大大提高共架磁铁间的准直精度。介绍了应用振动线准直共架磁铁的实施方案，从总体方案出发，以振动线理论为依据提出了一种振动线系统数据采集和数据处理设计方案，并对传感器工作点对准、导线电流测量、数据采集设备选取、磁感应强度计算、磁场中心计算等关键问题进行分析，给出了解决方案。最后通过实验验证了方案的可行性以及系统的测量精度。
2016, 28: 125107.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160361
摘要:
在HIMM医用重离子加速器（Heavy Ion Medical Machine）中，回旋加速器的连锁保护功能针对离子源、高频、真空、电源、冷却水等子系统的连锁要求，设计实现了设备+PLC+软件三层结构的连锁系统，并保证连锁功能在系统断电、线缆连接故障、数据传输异常等情况下的正常工作。连锁系统可实现硬连锁毫秒级、软连锁次秒级别的反应速度。整体功能在回旋调试过程中得到验证，保障了整个加速器的顺利供束。
在HIMM医用重离子加速器（Heavy Ion Medical Machine）中，回旋加速器的连锁保护功能针对离子源、高频、真空、电源、冷却水等子系统的连锁要求，设计实现了设备+PLC+软件三层结构的连锁系统，并保证连锁功能在系统断电、线缆连接故障、数据传输异常等情况下的正常工作。连锁系统可实现硬连锁毫秒级、软连锁次秒级别的反应速度。整体功能在回旋调试过程中得到验证，保障了整个加速器的顺利供束。
2016, 28: 126001.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160115
摘要:
由于受激元素所辐射的光子能量范围主要集中在100 keV~6 MeV之间，因此通过基于此能量范围的射线源模拟实验研究了采用锗酸铋（BGO）阵列相邻信号叠加实现能量高分辨率的新方法并分析比较了其性能。结果显示：对于较高能的光子，若仅使用单根BGO晶体产生的信号时不可能得到较好的能量分辨率；而当使用BGO阵列将该单晶体产生的信号与相邻晶体产生信号相加，则能谱质量会变得更佳。对于能量分辨率为90 keV的能量窗，通过模拟得到平均固有空间分辨率为3.938 mm (FWHM)。
由于受激元素所辐射的光子能量范围主要集中在100 keV~6 MeV之间，因此通过基于此能量范围的射线源模拟实验研究了采用锗酸铋（BGO）阵列相邻信号叠加实现能量高分辨率的新方法并分析比较了其性能。结果显示：对于较高能的光子，若仅使用单根BGO晶体产生的信号时不可能得到较好的能量分辨率；而当使用BGO阵列将该单晶体产生的信号与相邻晶体产生信号相加，则能谱质量会变得更佳。对于能量分辨率为90 keV的能量窗，通过模拟得到平均固有空间分辨率为3.938 mm (FWHM)。
2016, 28: 126002.
doi: 10.11884/HPLPB201628.160126
摘要:
出于对放射性核素各种应用和安全的考虑，需要性能良好的康普顿相机。通过蒙特卡罗方法模拟了双层阵列式康普顿相机，散射探测器材料为Si，吸收探测器材料为CZT（碲锌镉）。利用反投影图像重建算法进行了图像重建，采用极大似然法对重建结果进行优化，有效地提高了重建图像的分辨率。当放射源与探测器距离100 mm时，经过10次极大似然法迭代计算，位置分辨率与角分辨率分别达到5.1 mm与7.3。检验了极大似然法对于康普顿相机放射源图像重建的优化作用。
出于对放射性核素各种应用和安全的考虑，需要性能良好的康普顿相机。通过蒙特卡罗方法模拟了双层阵列式康普顿相机，散射探测器材料为Si，吸收探测器材料为CZT（碲锌镉）。利用反投影图像重建算法进行了图像重建，采用极大似然法对重建结果进行优化，有效地提高了重建图像的分辨率。当放射源与探测器距离100 mm时，经过10次极大似然法迭代计算，位置分辨率与角分辨率分别达到5.1 mm与7.3。检验了极大似然法对于康普顿相机放射源图像重建的优化作用。
2016, 28: 129901.
摘要:
光纤激光是继气体激光、化学激光和固体激光之后的新一代激光技术，是近年来世界各国科学研究的热点领域。制约光纤激光功率提升的主要技术瓶颈是系统集成技术和光纤材料制备技术。目前，我国科研工作者成功掌握了千瓦级光纤激光系统集成技术并实现了产业化，但是所用的光纤激光材料与核心器件还严重依赖进口。相较于比较成熟的系统集成技术，我国光纤激光材料的科学研究和产业化进程相对滞后，尚无法提供成熟稳定的有源光纤产品。 2016年6月，中国工程物理研究院激光聚变研究中心的研究人员经过近三年科研攻关，成功研发了30/900规格（纤芯30 m/包层900 m）镱掺杂铝磷硅（Yb-APS）三元体系激光光纤并实现了6.03 kW最高功率输出，在5 kW功率水平下可长期稳定工作。光纤激光材料综合测试平台采用了传统的1+1型MOPA放大结构（即信号种子源与一级主放）：信号光种子源的功率为40 W，光束质量M2=1.1；第二级MOPA放大级使用的976 nm LD泵浦光总功率9.95 kW，经过CPS功率剥离器激光净化处理后，最终安全地实现了6.03 kW最大功率输出。如图1所示，最高输出功率时斜率效率为61.25%，源于1∶30的芯包比和20 m以上的光纤使用长度；激光输出光谱中心波长1080 nm，3 dB带宽为1.89 nm，受激拉曼抑制比＞15 dB；5 kW稳定工作时，光束质量M2=2.38，未发现光子暗化效应。中物院激光聚变研究中心所研制的镱掺杂铝磷硅三元体系有源光纤(30/900 Yb-APS fiber)成功实现了6.03 kW激光输出，是我国高功率光纤激光材料研究领域的重要进步，为制备低损耗、高掺杂、高吸收、高增益、无光子暗化效应的商业激光光纤产品奠定了坚实的技术基础。
光纤激光是继气体激光、化学激光和固体激光之后的新一代激光技术，是近年来世界各国科学研究的热点领域。制约光纤激光功率提升的主要技术瓶颈是系统集成技术和光纤材料制备技术。目前，我国科研工作者成功掌握了千瓦级光纤激光系统集成技术并实现了产业化，但是所用的光纤激光材料与核心器件还严重依赖进口。相较于比较成熟的系统集成技术，我国光纤激光材料的科学研究和产业化进程相对滞后，尚无法提供成熟稳定的有源光纤产品。 2016年6月，中国工程物理研究院激光聚变研究中心的研究人员经过近三年科研攻关，成功研发了30/900规格（纤芯30 m/包层900 m）镱掺杂铝磷硅（Yb-APS）三元体系激光光纤并实现了6.03 kW最高功率输出，在5 kW功率水平下可长期稳定工作。光纤激光材料综合测试平台采用了传统的1+1型MOPA放大结构（即信号种子源与一级主放）：信号光种子源的功率为40 W，光束质量M2=1.1；第二级MOPA放大级使用的976 nm LD泵浦光总功率9.95 kW，经过CPS功率剥离器激光净化处理后，最终安全地实现了6.03 kW最大功率输出。如图1所示，最高输出功率时斜率效率为61.25%，源于1∶30的芯包比和20 m以上的光纤使用长度；激光输出光谱中心波长1080 nm，3 dB带宽为1.89 nm，受激拉曼抑制比＞15 dB；5 kW稳定工作时，光束质量M2=2.38，未发现光子暗化效应。中物院激光聚变研究中心所研制的镱掺杂铝磷硅三元体系有源光纤(30/900 Yb-APS fiber)成功实现了6.03 kW激光输出，是我国高功率光纤激光材料研究领域的重要进步，为制备低损耗、高掺杂、高吸收、高增益、无光子暗化效应的商业激光光纤产品奠定了坚实的技术基础。
