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RSS2018年 30卷 第4期
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2018, 30: 040101.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180042
摘要:
采用衍射型光束匀化器件及多模光纤传光和透镜耦合扩束方法，有效抑制了激光散斑与干涉条纹，解决了大视场平行光束照明时拍摄物体在成像面上的渐晕问题，实现了ϕ300 mm大口径视场下激光均匀照明和目标的清晰成像，并成功用于柱面内爆压缩、空间碎片等精密物理实验研究中。高速摄影技术与激光照明的成功结合，可有效抑制精密物理实验中强烈自发光导致过度曝光从而大大影响成像质量的问题，获得的物理过程边界形貌更加清晰，判读更精确。
采用衍射型光束匀化器件及多模光纤传光和透镜耦合扩束方法，有效抑制了激光散斑与干涉条纹，解决了大视场平行光束照明时拍摄物体在成像面上的渐晕问题，实现了ϕ300 mm大口径视场下激光均匀照明和目标的清晰成像，并成功用于柱面内爆压缩、空间碎片等精密物理实验研究中。高速摄影技术与激光照明的成功结合，可有效抑制精密物理实验中强烈自发光导致过度曝光从而大大影响成像质量的问题，获得的物理过程边界形貌更加清晰，判读更精确。
2018, 30: 041001.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170124
摘要:
研制了大能量高光束质量短脉冲激光器，系统采用主振荡+预放大器+主放大器2级主振荡功率放大器(MOPA)结构。采用双棒热效应补偿改善光束质量的措施，在重复频率400 Hz时实现单脉冲能量40 mJ、光束质量因子约为1.2的激光输出。激光器放大后实现单路脉冲能量712.5 mJ、脉宽12.4 ns的激光输出，采用球差补偿的方法提高了激光器的光束质量，在最大输出功率下实现了光束质量因子小于2.3，光光效率27.7%。偏振合束后，激光器输出能量大于1.4 J。
研制了大能量高光束质量短脉冲激光器，系统采用主振荡+预放大器+主放大器2级主振荡功率放大器(MOPA)结构。采用双棒热效应补偿改善光束质量的措施，在重复频率400 Hz时实现单脉冲能量40 mJ、光束质量因子约为1.2的激光输出。激光器放大后实现单路脉冲能量712.5 mJ、脉宽12.4 ns的激光输出，采用球差补偿的方法提高了激光器的光束质量，在最大输出功率下实现了光束质量因子小于2.3，光光效率27.7%。偏振合束后，激光器输出能量大于1.4 J。
2018, 30: 041002.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170452
摘要:
采用MgO掺杂的周期性极化铌酸锂晶体作为非线性晶体，搭建了线性平-凹腔结构的外腔式倍频系统，分析了增益介质和输入耦合镜之间的距离对二次谐波转换效率的影响。实验中，使用光纤耦合二极管泵浦Nd: YVO4激光器作为基频光源，通过改变增益介质和输入耦合镜的间距，测量了激光器的纵模数量、锁模脉冲稳定性、基频光线宽以及光-光转换效率。实验结果显示，增加增益介质和输入耦合镜之间的距离，可以在一定程度上提升自锁模脉冲的稳定性并有效减小基频光线宽。当泵浦功率较高时，适当增加该间距可以有效提升二次谐波转换效率。
采用MgO掺杂的周期性极化铌酸锂晶体作为非线性晶体，搭建了线性平-凹腔结构的外腔式倍频系统，分析了增益介质和输入耦合镜之间的距离对二次谐波转换效率的影响。实验中，使用光纤耦合二极管泵浦Nd: YVO4激光器作为基频光源，通过改变增益介质和输入耦合镜的间距，测量了激光器的纵模数量、锁模脉冲稳定性、基频光线宽以及光-光转换效率。实验结果显示，增加增益介质和输入耦合镜之间的距离，可以在一定程度上提升自锁模脉冲的稳定性并有效减小基频光线宽。当泵浦功率较高时，适当增加该间距可以有效提升二次谐波转换效率。
2018, 30: 041003.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170387
摘要:
利用Nd: YAG激光器研究基频(1064 nm)与倍频(532 nm)单独辐照和同时辐照下熔石英的损伤规律，对损伤几率进行了测试，获得损伤几率曲线与典型损伤形貌。研究结果表明：双波长同时辐照下的初始损伤阈值总是小于单波长辐照下的初始损伤阈值；基频光中加入定量倍频光后，熔石英对基频光的吸收效率提高；并且双波长同时辐照下，熔石英损伤密度增大；原因主要是熔石英表面缺陷对不同波长吸收机制的差异。
利用Nd: YAG激光器研究基频(1064 nm)与倍频(532 nm)单独辐照和同时辐照下熔石英的损伤规律，对损伤几率进行了测试，获得损伤几率曲线与典型损伤形貌。研究结果表明：双波长同时辐照下的初始损伤阈值总是小于单波长辐照下的初始损伤阈值；基频光中加入定量倍频光后，熔石英对基频光的吸收效率提高；并且双波长同时辐照下，熔石英损伤密度增大；原因主要是熔石英表面缺陷对不同波长吸收机制的差异。
2018, 30: 041004.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170397
摘要:
设计了槽肋比为1:2和2:1的矩形大长宽比微针肋散热器，并实验研究了去离子水在其内的流动换热性能。结果表明：当进口温度为40 ℃、微针肋槽道在雷诺数小于650、最高壁面温度低于77 ℃时，单位面积散热量可达21.32 W/cm2。当雷诺数一定时，同一个槽道壁面温度沿着流动方向不断增加、同一个位置壁面温度随着加热功率的增加而增大，局部努谢尔数沿着流动方向先减小后逐渐增加并趋于定值。当针肋流动换热长度较长时，其入口效应可以忽略，槽道平均努谢尔数随着雷诺数的增大而增大，与加热功率无关；为了更好地表达微针肋槽道内的换热特性，考虑了槽肋比、流动雷诺数等影响，拟合了去离子水在微针肋槽道内的对流换热关系式。
设计了槽肋比为1:2和2:1的矩形大长宽比微针肋散热器，并实验研究了去离子水在其内的流动换热性能。结果表明：当进口温度为40 ℃、微针肋槽道在雷诺数小于650、最高壁面温度低于77 ℃时，单位面积散热量可达21.32 W/cm2。当雷诺数一定时，同一个槽道壁面温度沿着流动方向不断增加、同一个位置壁面温度随着加热功率的增加而增大，局部努谢尔数沿着流动方向先减小后逐渐增加并趋于定值。当针肋流动换热长度较长时，其入口效应可以忽略，槽道平均努谢尔数随着雷诺数的增大而增大，与加热功率无关；为了更好地表达微针肋槽道内的换热特性，考虑了槽肋比、流动雷诺数等影响，拟合了去离子水在微针肋槽道内的对流换热关系式。
2018, 30: 041005.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170483
摘要:
阐述了一种基于单块周期极化铌酸锂晶体级联三倍频实现440 nm蓝光输出的实验方案。根据周期极化铌酸锂晶体的Sellmeier方程以及倍频与和频的相位匹配条件，在一块周期极化铌酸锂晶体上设计了两段不同的极化周期，使其在同一工作温度下能分别实现倍频与和频，在先后经过倍频与和频后，实现级联三倍频输出。实验采用Nd: YAG产生的1319 nm光作为基频光，重频400 Hz，脉宽110 ns，横向和纵向光束质量因子分别为1.81和2.65。耦合进周期极化铌酸锂晶体后，出射光中检测到660 nm的红光和440 nm的蓝光。通过调整工作温度和入射基频光功率，得到2.4 mW的最大蓝光输出，此时工作温度55.5 ℃，基频光功率530 mW。实验结果验证了单块晶体实现级联三倍频440 nm蓝光输出的可行性。
阐述了一种基于单块周期极化铌酸锂晶体级联三倍频实现440 nm蓝光输出的实验方案。根据周期极化铌酸锂晶体的Sellmeier方程以及倍频与和频的相位匹配条件，在一块周期极化铌酸锂晶体上设计了两段不同的极化周期，使其在同一工作温度下能分别实现倍频与和频，在先后经过倍频与和频后，实现级联三倍频输出。实验采用Nd: YAG产生的1319 nm光作为基频光，重频400 Hz，脉宽110 ns，横向和纵向光束质量因子分别为1.81和2.65。耦合进周期极化铌酸锂晶体后，出射光中检测到660 nm的红光和440 nm的蓝光。通过调整工作温度和入射基频光功率，得到2.4 mW的最大蓝光输出，此时工作温度55.5 ℃，基频光功率530 mW。实验结果验证了单块晶体实现级联三倍频440 nm蓝光输出的可行性。
2018, 30: 042001.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170311
摘要:
对空心玻璃微球(HGM)在高温充气过程中的表面形貌进行了研究。分析局部晶化出现的时间和条件，并通过其表面形貌、成分分析探究了其随时间的变化规律。研究结果表明：影响HGM高温充气后表面形貌的因素主要有充气温度和充气压力；充气温度越高、压力越大表面形貌发生变化所需时间越短。导致表面形貌变化的本质原因是结晶分相，结晶成分主要由Na, B等元素组成。HGM的表面结晶分相使其表面粗糙度大幅度升高，但随着脱离充气环境后放置时间的延长而又逐渐降低。其表面粗糙度降低的主要原因是Na, B等元素的逆向迁移。
对空心玻璃微球(HGM)在高温充气过程中的表面形貌进行了研究。分析局部晶化出现的时间和条件，并通过其表面形貌、成分分析探究了其随时间的变化规律。研究结果表明：影响HGM高温充气后表面形貌的因素主要有充气温度和充气压力；充气温度越高、压力越大表面形貌发生变化所需时间越短。导致表面形貌变化的本质原因是结晶分相，结晶成分主要由Na, B等元素组成。HGM的表面结晶分相使其表面粗糙度大幅度升高，但随着脱离充气环境后放置时间的延长而又逐渐降低。其表面粗糙度降低的主要原因是Na, B等元素的逆向迁移。
2018, 30: 042002.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170352
摘要:
为有效制得Z箍缩氘代聚苯乙烯/纳米铝(DPS/AlNPs)导电丝阵材料，采用PS中掺入AlNPs制备PS/AlNPs复合材料纤维进行模拟研究。研究了温度及剪切速率等因素对PS/AlNPs复合材料流变性能的影响、复合材料熔体的结构变化及流动状态与可纺性能的关系，以及PS/AlNPs纤维的形貌、热稳定性能和力学性能。结果表明：PS/AlNPs熔体属于典型剪切变稀型非牛顿流体，熔体的表观粘度与温度呈现负相关，240~260 ℃时复合材料的非牛顿指数介于0.462~0.546，结构黏度系数介于1.8~2.1，黏流活化能介于77.2~104.6 kJ·mol-1，具有良好的可纺性。PS/AlNPs纤维表面光滑，对AlNPs粒子包覆良好且对其抗氧化非常有利，其中当AlNPs质量分数为1%时纤维的断裂伸长率突出、掺量为5%时其断裂强度较高。
为有效制得Z箍缩氘代聚苯乙烯/纳米铝(DPS/AlNPs)导电丝阵材料，采用PS中掺入AlNPs制备PS/AlNPs复合材料纤维进行模拟研究。研究了温度及剪切速率等因素对PS/AlNPs复合材料流变性能的影响、复合材料熔体的结构变化及流动状态与可纺性能的关系，以及PS/AlNPs纤维的形貌、热稳定性能和力学性能。结果表明：PS/AlNPs熔体属于典型剪切变稀型非牛顿流体，熔体的表观粘度与温度呈现负相关，240~260 ℃时复合材料的非牛顿指数介于0.462~0.546，结构黏度系数介于1.8~2.1，黏流活化能介于77.2~104.6 kJ·mol-1，具有良好的可纺性。PS/AlNPs纤维表面光滑，对AlNPs粒子包覆良好且对其抗氧化非常有利，其中当AlNPs质量分数为1%时纤维的断裂伸长率突出、掺量为5%时其断裂强度较高。
2018, 30: 043001.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170333
摘要:
提出了一种评估高功率微波对建筑物内计算机作用效果的方法。建立建筑物的电磁计算模型，利用时域有限差分法对高功率微波进入建筑物的过程进行数值模拟，求出计算机所在高度面上的时域最大场强，定义大于效应阈值区域的面积与建筑物总面积的比例为有效面积比，高功率微波对建筑物内计算机的作用比例即等于有效面积比。并开展实验对此方法的有效性进行验证，估计的计算机效应比例和实验结果相差20%以内。改变入射场强，得到计算机效应比例与入射场强的关系，与理论分析结果一致。
提出了一种评估高功率微波对建筑物内计算机作用效果的方法。建立建筑物的电磁计算模型，利用时域有限差分法对高功率微波进入建筑物的过程进行数值模拟，求出计算机所在高度面上的时域最大场强，定义大于效应阈值区域的面积与建筑物总面积的比例为有效面积比，高功率微波对建筑物内计算机的作用比例即等于有效面积比。并开展实验对此方法的有效性进行验证，估计的计算机效应比例和实验结果相差20%以内。改变入射场强，得到计算机效应比例与入射场强的关系，与理论分析结果一致。
2018, 30: 043002.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170444
摘要:
金属高频结构的射频击穿是引起功率下降和脉冲缩短的重要原因，是限制高功率微波(HPM)向更高功率、更长脉冲发展的重要因素。射频击穿的物理过程极其复杂，并且开展射频击穿研究对实验条件等要求高，因此粒子模拟是研究射频击穿的重要手段。通过在慢波结构表面设置爆炸发射电子和离子的方式模拟等离子体对一个X波段的相对论返波振荡器(RBWO)和一个Ka波段的RBWO工作的影响。粒子模拟结果表明，对于分段式慢波结构，后段慢波结构产生等离子体会对电子束的调制造成影响，进而影响器件正常工作，引起微波功率下降。当等离子体由质量较轻的正离子和电子组成时，会对束波作用造成更大的影响，引起较大的输出功率下降。相同密度的射频击穿等离子体对Ka波段RBWO工作的影响大于对X波段RBWO的影响。
金属高频结构的射频击穿是引起功率下降和脉冲缩短的重要原因，是限制高功率微波(HPM)向更高功率、更长脉冲发展的重要因素。射频击穿的物理过程极其复杂，并且开展射频击穿研究对实验条件等要求高，因此粒子模拟是研究射频击穿的重要手段。通过在慢波结构表面设置爆炸发射电子和离子的方式模拟等离子体对一个X波段的相对论返波振荡器(RBWO)和一个Ka波段的RBWO工作的影响。粒子模拟结果表明，对于分段式慢波结构，后段慢波结构产生等离子体会对电子束的调制造成影响，进而影响器件正常工作，引起微波功率下降。当等离子体由质量较轻的正离子和电子组成时，会对束波作用造成更大的影响，引起较大的输出功率下降。相同密度的射频击穿等离子体对Ka波段RBWO工作的影响大于对X波段RBWO的影响。
2018, 30: 043003.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170460
摘要:
为提高热载流子高功率微波探测器的灵敏度和降低环境温度对探测器性能的影响，开展了液氮环境下的热载流子探测器研究。提出了局部使用可阀合金块的BJ-100型热载流子探测器制作工艺，增强了探测器的抗温度冲击能力。测试结果表明，探测器硅片焊接的结合力大于4.9 N，能够承受从常温到液氮的反复温度冲击。利用100 kW微波源开展了热载流子探测器在室温和液氮环境下的灵敏度测试实验，结果表明：探测器输出波形与肖特基二极管检波器输出波形一致；在保持偏置电流相同的条件下，相较于常温环境，探测器在液氮环境下的相对灵敏度提升约20倍，输出电压可达V级。
为提高热载流子高功率微波探测器的灵敏度和降低环境温度对探测器性能的影响，开展了液氮环境下的热载流子探测器研究。提出了局部使用可阀合金块的BJ-100型热载流子探测器制作工艺，增强了探测器的抗温度冲击能力。测试结果表明，探测器硅片焊接的结合力大于4.9 N，能够承受从常温到液氮的反复温度冲击。利用100 kW微波源开展了热载流子探测器在室温和液氮环境下的灵敏度测试实验，结果表明：探测器输出波形与肖特基二极管检波器输出波形一致；在保持偏置电流相同的条件下，相较于常温环境，探测器在液氮环境下的相对灵敏度提升约20倍，输出电压可达V级。
2018, 30: 043004.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170443
摘要:
提出一种具有高功率容量的直线阵列天线，该天线阵基于矩形波导缝隙馈电，馈电耦合结构采用新型的弧形耦合缝隙，利用小螺旋天线作为辐射单元，通过旋转螺旋线内导体来调整各个辐射单元相位，从而实现一维波束扫描。采用等效传输法进行理论设计，数值模拟结果表明，该长度为3200 mm的单元天线在中心频率8.40 GHz上可获得的增益为27.50 dB，主瓣轴比为0.51 dB。功率容量约90 MW，辐射效率为97.10%，反射低于-24 dB，波束扫描范围±38°。
提出一种具有高功率容量的直线阵列天线，该天线阵基于矩形波导缝隙馈电，馈电耦合结构采用新型的弧形耦合缝隙，利用小螺旋天线作为辐射单元，通过旋转螺旋线内导体来调整各个辐射单元相位，从而实现一维波束扫描。采用等效传输法进行理论设计，数值模拟结果表明，该长度为3200 mm的单元天线在中心频率8.40 GHz上可获得的增益为27.50 dB，主瓣轴比为0.51 dB。功率容量约90 MW，辐射效率为97.10%，反射低于-24 dB，波束扫描范围±38°。
2018, 30: 043005.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170419
摘要:
为了减弱大气摩擦引起的高温损伤，航空飞行器雷达天线一般都会加装天线罩或介质窗，将电磁带隙(EBG)结构的禁带特性和阶梯型微带天线的带宽及良好的匹配特性相结合，设计了一种含介质窗的EBG结构阶梯型微带天线，并计算分析了天线的辐射特性及介质窗对辐射特性的影响。结果表明：EBG结构产生的带隙能够制约天线表面波的传播，改善天线的带宽和增益性能，且当介质窗存在时，该结构亦可降低天线与介质窗间的互耦效应。这为含介质窗的EBG结构阶梯型微带天线的设计和应用提供了一定理论参考。
为了减弱大气摩擦引起的高温损伤，航空飞行器雷达天线一般都会加装天线罩或介质窗，将电磁带隙(EBG)结构的禁带特性和阶梯型微带天线的带宽及良好的匹配特性相结合，设计了一种含介质窗的EBG结构阶梯型微带天线，并计算分析了天线的辐射特性及介质窗对辐射特性的影响。结果表明：EBG结构产生的带隙能够制约天线表面波的传播，改善天线的带宽和增益性能，且当介质窗存在时，该结构亦可降低天线与介质窗间的互耦效应。这为含介质窗的EBG结构阶梯型微带天线的设计和应用提供了一定理论参考。
2018, 30: 043101.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170399
摘要:
采用极化电流微分方程，对贵金属中自由电子与外电场的共振过程进行描述。将该微分方程与麦克斯韦方程相结合，运用时域有限差分(FDTD)方法，在粒子PIC模拟软件CHIPIC3D的基础上，实现了电子激励表面等离极化激元(SPPs)的模拟。通过对100 keV电子平行于银薄膜表面运动、激励起表面等离极化激元的模拟，观测并分析了SPPs的场强及模式在银薄膜表面的分布，并验证了模拟结果的正确性。
采用极化电流微分方程，对贵金属中自由电子与外电场的共振过程进行描述。将该微分方程与麦克斯韦方程相结合，运用时域有限差分(FDTD)方法，在粒子PIC模拟软件CHIPIC3D的基础上，实现了电子激励表面等离极化激元(SPPs)的模拟。通过对100 keV电子平行于银薄膜表面运动、激励起表面等离极化激元的模拟，观测并分析了SPPs的场强及模式在银薄膜表面的分布，并验证了模拟结果的正确性。
2018, 30: 043102.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170309
摘要:
利用Z变换时域有限差分法(Z-FDTD)计算等离子体鞘层中太赫兹(THz)波的传输特性，得出太赫兹波的功率反射和透射系数在等离子鞘层中随电磁波频率的变化曲线图，分析了太赫兹波的传输特性与等离子体结构参数(鞘层厚度、碰撞频率以及电子密度)的关系，对利用太赫兹波缓解等离子体鞘层通信中出现的“黑障”现象做了探讨。结果表明：太赫兹波能改善等离子体鞘层通信，为解决“黑障”问题提供了有效途径。
利用Z变换时域有限差分法(Z-FDTD)计算等离子体鞘层中太赫兹(THz)波的传输特性，得出太赫兹波的功率反射和透射系数在等离子鞘层中随电磁波频率的变化曲线图，分析了太赫兹波的传输特性与等离子体结构参数(鞘层厚度、碰撞频率以及电子密度)的关系，对利用太赫兹波缓解等离子体鞘层通信中出现的“黑障”现象做了探讨。结果表明：太赫兹波能改善等离子体鞘层通信，为解决“黑障”问题提供了有效途径。
2018, 30: 043201.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170377
摘要:
围绕战场电磁作战环境智能表征问题，首先从认知这一概念切入，去理解作战艺术与认知作战的关系，并将电磁域作战与电磁频谱作战、电磁频谱作战与陆、海、空、天、网络联合作战紧密联系在一起；进而通过认知科学与人工智能视角，厘清了联指三类作战态势图构建与运作对电磁目标和战场电磁环境要素和表征的要求；针对电磁域作战全过程各任务阶段各层级人员认知水平，分析了战场电磁作战环境的分层认知与智能表征的内涵与关系，并对战场电磁作战环境智能表征问题在宏观上进行了把握。
围绕战场电磁作战环境智能表征问题，首先从认知这一概念切入，去理解作战艺术与认知作战的关系，并将电磁域作战与电磁频谱作战、电磁频谱作战与陆、海、空、天、网络联合作战紧密联系在一起；进而通过认知科学与人工智能视角，厘清了联指三类作战态势图构建与运作对电磁目标和战场电磁环境要素和表征的要求；针对电磁域作战全过程各任务阶段各层级人员认知水平，分析了战场电磁作战环境的分层认知与智能表征的内涵与关系，并对战场电磁作战环境智能表征问题在宏观上进行了把握。
2018, 30: 044001.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170248
摘要:
针对空间质子诱发CCD性能退化问题，开展了CCD质子辐照效应的三维蒙特卡罗模拟研究。采用三维蒙特卡罗软件Geant4模拟计算了不同能量质子在Si和SiO2中的射程及Bragg峰，分析了不同能量质子在材料中能量沉积的过程，并将模拟结果与相关数据进行对比，模拟误差在5%以内。根据质子与材料相互作用的物理过程，选取了合适的Lindhard分离函数，添加合适的物理过程，模拟计算了不同能量质子在SiO2中的电离能量损失和Si中的非电离能量损失，并将结果与国外相关数据进行对比。根据CCD的生产工艺参数，建立了单个像元的三维模拟模型，确定了质子辐照损伤的灵敏体积，模拟计算了不同能量质子在像元灵敏体积内的电离能量沉积与非电离能量沉积，分析了CCD不同能量质子的辐照损伤差异产生的机理。结合粒子输运计算结果与CCD质子辐照实验结果，分析了质子辐照诱发CCD辐射敏感参数退化的物理机制。
针对空间质子诱发CCD性能退化问题，开展了CCD质子辐照效应的三维蒙特卡罗模拟研究。采用三维蒙特卡罗软件Geant4模拟计算了不同能量质子在Si和SiO2中的射程及Bragg峰，分析了不同能量质子在材料中能量沉积的过程，并将模拟结果与相关数据进行对比，模拟误差在5%以内。根据质子与材料相互作用的物理过程，选取了合适的Lindhard分离函数，添加合适的物理过程，模拟计算了不同能量质子在SiO2中的电离能量损失和Si中的非电离能量损失，并将结果与国外相关数据进行对比。根据CCD的生产工艺参数，建立了单个像元的三维模拟模型，确定了质子辐照损伤的灵敏体积，模拟计算了不同能量质子在像元灵敏体积内的电离能量沉积与非电离能量沉积，分析了CCD不同能量质子的辐照损伤差异产生的机理。结合粒子输运计算结果与CCD质子辐照实验结果，分析了质子辐照诱发CCD辐射敏感参数退化的物理机制。
2018, 30: 044002.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170388
摘要:
研制了一种基于微通道板的超快脉冲中子探测器，对其γ射线灵敏度进行了理论和实验研究。建立了探测器的γ射线灵敏度理论计算模型，利用蒙特卡罗方法模拟计算了不同能量γ射线在不同厚度聚乙烯靶中产生的出射电子能谱和出射角度分布，并结合经验公式计算了单个电子在微通道板(MCP)孔道中产生的二次电子产额，最后得到了探测器的γ射线灵敏度，结果表明当聚乙烯靶厚度大于某一值时，γ射线灵敏度基本相同。利用西北核技术研究所的标准γ射线放射源对探测器的γ射线灵敏度进行了实验标定，实验结果与理论计算结果一致。
研制了一种基于微通道板的超快脉冲中子探测器，对其γ射线灵敏度进行了理论和实验研究。建立了探测器的γ射线灵敏度理论计算模型，利用蒙特卡罗方法模拟计算了不同能量γ射线在不同厚度聚乙烯靶中产生的出射电子能谱和出射角度分布，并结合经验公式计算了单个电子在微通道板(MCP)孔道中产生的二次电子产额，最后得到了探测器的γ射线灵敏度，结果表明当聚乙烯靶厚度大于某一值时，γ射线灵敏度基本相同。利用西北核技术研究所的标准γ射线放射源对探测器的γ射线灵敏度进行了实验标定，实验结果与理论计算结果一致。
2018, 30: 045001.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170417
摘要:
全固态直线型变压器驱动源(LTD)是具有独特性能的新型高重频脉冲功率发生器。针对LTD的基础特性进行了较详细的实验研究。测量内容包括输出脉冲宽度与控制信号的关联、LTD模块上的信号延迟及其分散性，以及不同条件下LTD系统的能量效率分析。实验结果使我们对LTD取得了更加详细和深入的认识，同时为进一步改善和提高LTD脉冲功率发生器的技术水平提供了重要的参考数据。
全固态直线型变压器驱动源(LTD)是具有独特性能的新型高重频脉冲功率发生器。针对LTD的基础特性进行了较详细的实验研究。测量内容包括输出脉冲宽度与控制信号的关联、LTD模块上的信号延迟及其分散性，以及不同条件下LTD系统的能量效率分析。实验结果使我们对LTD取得了更加详细和深入的认识，同时为进一步改善和提高LTD脉冲功率发生器的技术水平提供了重要的参考数据。
2018, 30: 045002.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170360
摘要:
设计了一种基于功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)为开关的高压脉冲电源。采用自匹配传输线结构线路形式，串联多个以光纤信号隔离触发的MOSFET作为高耐压开关，在传输线的外皮产生2个纳秒脉冲，再用传输线变压器对2个纳秒脉冲进行功率合成，在200 Ω负载上输出了幅度20 kV，重复频率20 kHz，脉冲宽度约40 ns的脉冲。分析脉冲源装置结构，对实验装置建立仿真模型，阐述了输出波形畸变的原因，给出了影响输出脉冲波形特性的因素，为下一步优化波形工作提供了理论参考。
设计了一种基于功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)为开关的高压脉冲电源。采用自匹配传输线结构线路形式，串联多个以光纤信号隔离触发的MOSFET作为高耐压开关，在传输线的外皮产生2个纳秒脉冲，再用传输线变压器对2个纳秒脉冲进行功率合成，在200 Ω负载上输出了幅度20 kV，重复频率20 kHz，脉冲宽度约40 ns的脉冲。分析脉冲源装置结构，对实验装置建立仿真模型，阐述了输出波形畸变的原因，给出了影响输出脉冲波形特性的因素，为下一步优化波形工作提供了理论参考。
2018, 30: 045003.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170341
摘要:
产生脉冲电流约50 MA的大型LTD装置功率源由数十万个电容器、开关和触发器组成。规模庞大的功率源采用串联系统可靠性模型，其可靠度想要达到一个较高的水平，存在所要求的开关可靠度难以实现的情况。大型LTD装置功率源的主要故障模式为开关自击穿和触发器故障，开关自击穿将导致其所在的模块故障，而触发器一对多的触发方式，使其故障时引起更多的模块故障。在LTD装置输出性能满足要求的前提下，允许存在一定数量的模块故障，并且控制故障模块分布，是实现功率源高可靠度的关键。基于概念设计的大型LTD装置功率源构成框架，分别建立了在功率源、支路、分层上控制故障模块数量的可靠性模型。采用蒙特卡罗方法对该模型进行仿真计算，得出了在给定的功率源可靠度条件下开关和触发器需要达到的可靠度。为实现该可靠性模型，使故障模块不对其他部分产生影响，还对故障模块隔离技术进行了分析。
产生脉冲电流约50 MA的大型LTD装置功率源由数十万个电容器、开关和触发器组成。规模庞大的功率源采用串联系统可靠性模型，其可靠度想要达到一个较高的水平，存在所要求的开关可靠度难以实现的情况。大型LTD装置功率源的主要故障模式为开关自击穿和触发器故障，开关自击穿将导致其所在的模块故障，而触发器一对多的触发方式，使其故障时引起更多的模块故障。在LTD装置输出性能满足要求的前提下，允许存在一定数量的模块故障，并且控制故障模块分布，是实现功率源高可靠度的关键。基于概念设计的大型LTD装置功率源构成框架，分别建立了在功率源、支路、分层上控制故障模块数量的可靠性模型。采用蒙特卡罗方法对该模型进行仿真计算，得出了在给定的功率源可靠度条件下开关和触发器需要达到的可靠度。为实现该可靠性模型，使故障模块不对其他部分产生影响，还对故障模块隔离技术进行了分析。
2018, 30: 045004.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170393
摘要:
双极性脉冲电源是磁控溅射系统中的关键设备之一。根据铌溅射处理装置的技术要求，研制了一套输出电压0~800 V可调、脉冲宽度20~200 μs可调、频率0~60 Hz可调、脉冲电流最大幅值约150 A的双极性脉冲电源，分别给出了该电源在水电阻负载和等离子体负载下的实验结果。设计上采用DSP控制开关电源的方式对储能电容器进行恒流充电；综合应用FPGA，PLC及触摸屏组成人机交互系统，控制输出光脉冲信号，经负压偏置驱动后使桥式结构的脉冲形成网络产生正负交替双极性脉冲。通过大量实验论证，该电源解决了等离子体负载放电打弧等问题，达到了理想的溅射效果，满足了指标要求。
双极性脉冲电源是磁控溅射系统中的关键设备之一。根据铌溅射处理装置的技术要求，研制了一套输出电压0~800 V可调、脉冲宽度20~200 μs可调、频率0~60 Hz可调、脉冲电流最大幅值约150 A的双极性脉冲电源，分别给出了该电源在水电阻负载和等离子体负载下的实验结果。设计上采用DSP控制开关电源的方式对储能电容器进行恒流充电；综合应用FPGA，PLC及触摸屏组成人机交互系统，控制输出光脉冲信号，经负压偏置驱动后使桥式结构的脉冲形成网络产生正负交替双极性脉冲。通过大量实验论证，该电源解决了等离子体负载放电打弧等问题，达到了理想的溅射效果，满足了指标要求。
2018, 30: 045005.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170203
摘要:
利用形成线并联的方法产生高压三脉冲，需要在形成线和加速腔负载间串联硅堆隔离网络，以隔离不同形成线间的相互影响，并将不同形成线先后产生的高压脉冲汇流成三脉冲串传输到加速腔。硅堆放置于封闭的油箱中，箱体结构的设计将直接影响汇流后三脉冲的波形品质和硅堆的使用寿命。通过对高压硅堆内部电势分布的模拟分析和实验验证，明确了影响硅堆使用寿命的主要原因；设计实验测量了汇流结构各部分对汇流脉冲前沿的影响程度，综合分析汇流结构对硅堆使用寿命的影响，明确了汇流结构的优化方向，并在此基础上确定了神龙二号三脉冲直线感应加速器硅堆汇流结构的最终设计。
利用形成线并联的方法产生高压三脉冲，需要在形成线和加速腔负载间串联硅堆隔离网络，以隔离不同形成线间的相互影响，并将不同形成线先后产生的高压脉冲汇流成三脉冲串传输到加速腔。硅堆放置于封闭的油箱中，箱体结构的设计将直接影响汇流后三脉冲的波形品质和硅堆的使用寿命。通过对高压硅堆内部电势分布的模拟分析和实验验证，明确了影响硅堆使用寿命的主要原因；设计实验测量了汇流结构各部分对汇流脉冲前沿的影响程度，综合分析汇流结构对硅堆使用寿命的影响，明确了汇流结构的优化方向，并在此基础上确定了神龙二号三脉冲直线感应加速器硅堆汇流结构的最终设计。
2018, 30: 045006.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170369
摘要:
为了测量电缆中传输的ns量级脉冲高电压，设计了自积分电容分压器并开展了频率响应特性分析。为分压器设计了不同的补偿电阻，并使用含有杂散参数的等效电路进行分析。仿真结果表明：分压器低频特性的主要影响因素是等效取样电阻与低压臂电容乘积得到的时间常数；高频特性主要受电容的杂散电感和取样电阻的杂散电容影响。增大时间常数扩展低频特性时，会导致杂散参数的影响加剧而使分压器高频特性变差。采用方波实验和扫频测量两种方法实测了不同参数分压器的频响特性。结果表明：补偿电阻为550 Ω的电容分压器频响上限超过2 GHz；但是低频特性不足，频率下限约为1.8 MHz；而补偿电阻为6.6 kΩ，且调整结构的电容分压器带宽为0.17~700 MHz，能够满足测试需求。
为了测量电缆中传输的ns量级脉冲高电压，设计了自积分电容分压器并开展了频率响应特性分析。为分压器设计了不同的补偿电阻，并使用含有杂散参数的等效电路进行分析。仿真结果表明：分压器低频特性的主要影响因素是等效取样电阻与低压臂电容乘积得到的时间常数；高频特性主要受电容的杂散电感和取样电阻的杂散电容影响。增大时间常数扩展低频特性时，会导致杂散参数的影响加剧而使分压器高频特性变差。采用方波实验和扫频测量两种方法实测了不同参数分压器的频响特性。结果表明：补偿电阻为550 Ω的电容分压器频响上限超过2 GHz；但是低频特性不足，频率下限约为1.8 MHz；而补偿电阻为6.6 kΩ，且调整结构的电容分压器带宽为0.17~700 MHz，能够满足测试需求。
2018, 30: 045007.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170347
摘要:
在20 kV/40 kJ的重复频率压裂系统实验平台上，对大水泥岩样进行了电脉冲水中放电压裂实验。为了模拟井下实际工况，实验时将放电电极装入带有射孔的绝缘套管。水中脉冲放电时岩样中产生定向冲击压力波，冲击波作用于岩层使其产生裂缝。实验结果表明，冲击波通过绝缘套管作用于岩样时有一定的能量损失，部分冲击波压力会施加于绝缘套管，绝缘套管在整个实验期间没有发生形变，电脉冲放电对套管损伤作用极小，重复压裂冲击波会通过射孔在岩样上形成一定规模的微裂缝。去掉绝缘套管后，裸电极作用于岩样造缝效果会更好，裂缝明显的呈现对称规则。
在20 kV/40 kJ的重复频率压裂系统实验平台上，对大水泥岩样进行了电脉冲水中放电压裂实验。为了模拟井下实际工况，实验时将放电电极装入带有射孔的绝缘套管。水中脉冲放电时岩样中产生定向冲击压力波，冲击波作用于岩层使其产生裂缝。实验结果表明，冲击波通过绝缘套管作用于岩样时有一定的能量损失，部分冲击波压力会施加于绝缘套管，绝缘套管在整个实验期间没有发生形变，电脉冲放电对套管损伤作用极小，重复压裂冲击波会通过射孔在岩样上形成一定规模的微裂缝。去掉绝缘套管后，裸电极作用于岩样造缝效果会更好，裂缝明显的呈现对称规则。
2018, 30: 045101.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170303
摘要:
In this article, a feasible switchyard design is proposed for the Shanghai soft X-ray Free Electron Laser (SXFEL) facility. In the proposed scheme, a switchyard is used to transport the electron beam to different undulator lines. Three-dimensional start-to-end simulations have been carried out to research the beam dynamic during transportation. The results show that the emittance of the electron beam increases less than 8%, meanwhile, the peak current, the energy spread and the bunch length are not spoiled as the beam passes through the switchyard. The microbunching instability of the beam and the jitter of the linear accelerator (linac) are analyzed as well.
In this article, a feasible switchyard design is proposed for the Shanghai soft X-ray Free Electron Laser (SXFEL) facility. In the proposed scheme, a switchyard is used to transport the electron beam to different undulator lines. Three-dimensional start-to-end simulations have been carried out to research the beam dynamic during transportation. The results show that the emittance of the electron beam increases less than 8%, meanwhile, the peak current, the energy spread and the bunch length are not spoiled as the beam passes through the switchyard. The microbunching instability of the beam and the jitter of the linear accelerator (linac) are analyzed as well.
2018, 30: 045102.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170415
摘要:
为了对衍射极限储存环的束流横向截面尺寸及发射度进行测量，设计了一套Kirkpatrick-Baez(KB)反射镜聚焦成像系统，并在上海光源(SSRF)储存环进行预制研究。该系统主体由两面垂直放置的KB反射镜组成，分别在水平及垂直方向对弯转磁铁光源点进行成像，系统工作在硬X射线波段，聚焦光斑被闪烁体X射线相机采集。对影响系统成像质量的像差和点扩散函数进行了计算。目前，实现了对束流的实时成像，可精确测量束流横向截面尺寸为75.9 μm(水平方向)和20.2 μm(垂直方向)，系统稳定性(RMS)小于0.1 μm。
为了对衍射极限储存环的束流横向截面尺寸及发射度进行测量，设计了一套Kirkpatrick-Baez(KB)反射镜聚焦成像系统，并在上海光源(SSRF)储存环进行预制研究。该系统主体由两面垂直放置的KB反射镜组成，分别在水平及垂直方向对弯转磁铁光源点进行成像，系统工作在硬X射线波段，聚焦光斑被闪烁体X射线相机采集。对影响系统成像质量的像差和点扩散函数进行了计算。目前，实现了对束流的实时成像，可精确测量束流横向截面尺寸为75.9 μm(水平方向)和20.2 μm(垂直方向)，系统稳定性(RMS)小于0.1 μm。
2018, 30: 046001.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170378
摘要:
东方超环(EAST)上高速真空紫外(VUV)成像系统是一套选择性测量中心波长为13.5 nm的等离子体线辐射的光学成像系统。此系统具有高时空分辨能力，主要用于边界(包括台基区)等离子体行为研究。该系统已经投入EAST等离子体物理实验并获得了大量的实验数据。基于这些数据，分析了VUV诊断系统的信号强度与等离子体宏观参数之间的相关性，着重研究了EAST上中性束注入(NBI)加热功率、杂质(碳和锂)水平、电子密度等因素对VUV信号强度的影响。结果与预期基本一致：随着NBI功率的增加，VUV信号强度随之增强；VUV信号强度与电子密度、杂质水平呈现线性关系。此外，本文还评估了由于NBI注入引起的电荷交换复合产生的C5+离子对VUV信号的贡献，结果表明这部分贡献可以忽略不计。
东方超环(EAST)上高速真空紫外(VUV)成像系统是一套选择性测量中心波长为13.5 nm的等离子体线辐射的光学成像系统。此系统具有高时空分辨能力，主要用于边界(包括台基区)等离子体行为研究。该系统已经投入EAST等离子体物理实验并获得了大量的实验数据。基于这些数据，分析了VUV诊断系统的信号强度与等离子体宏观参数之间的相关性，着重研究了EAST上中性束注入(NBI)加热功率、杂质(碳和锂)水平、电子密度等因素对VUV信号强度的影响。结果与预期基本一致：随着NBI功率的增加，VUV信号强度随之增强；VUV信号强度与电子密度、杂质水平呈现线性关系。此外，本文还评估了由于NBI注入引起的电荷交换复合产生的C5+离子对VUV信号的贡献，结果表明这部分贡献可以忽略不计。
2018, 30: 046002.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170222
摘要:
核设施辐射屏蔽计算，由于其大规模计算及深穿透等特性，一直是蒙特卡罗方法工程应用的难点之一。采用我国自主研发的三维中子-光子蒙特卡罗粒子输运模拟软件JMCT，结合可视化建模工具JLAMT，对OECD国际基准例题Winfrith Iron/Water Benchmark Experiment(ASPIS)两例实验装置进行建模与计算分析, 并将计算结果与实验值及MCNP计算值进行对比。结果表明，JMCT计算值与MCNP计算值符合较好，其中Winfrith Iron Benchmark Experiment(ASPIS)最大偏差不超过7%，平均偏差1.3%；Winfrith Water Benchmark Experiment(ASPIS)最大偏差小于20%，平均偏差小于10%，证明了JMCT在屏蔽计算以及深穿透问题的可靠性与工程应用性。
核设施辐射屏蔽计算，由于其大规模计算及深穿透等特性，一直是蒙特卡罗方法工程应用的难点之一。采用我国自主研发的三维中子-光子蒙特卡罗粒子输运模拟软件JMCT，结合可视化建模工具JLAMT，对OECD国际基准例题Winfrith Iron/Water Benchmark Experiment(ASPIS)两例实验装置进行建模与计算分析, 并将计算结果与实验值及MCNP计算值进行对比。结果表明，JMCT计算值与MCNP计算值符合较好，其中Winfrith Iron Benchmark Experiment(ASPIS)最大偏差不超过7%，平均偏差1.3%；Winfrith Water Benchmark Experiment(ASPIS)最大偏差小于20%，平均偏差小于10%，证明了JMCT在屏蔽计算以及深穿透问题的可靠性与工程应用性。
2018, 30: 046003.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170435
摘要:
提出了一种基于稀疏表示的核素能谱特征提取方法，其实质是将核素能谱在区分性最好的稀疏原子上进行投影。利用稀疏分解方法对核素能谱进行稀疏分解，提取分解系数向量作为表征核素的特征向量，通过模式识别分类方法建立分类模型实现核素识别。与传统稀疏分解方法的区别在于：在能谱稀疏分解过程中按照稀疏字典中的原子排列顺序顺次进行分解；其次，分解目的在于特征提取，即最终提取到的特征对不同核素具有可区分性，并不要求核素能谱的重构精度。在241Am, 133Ba, 60Co, 137Cs, 131I和152Eu共6种核素1200个能谱数据上进行了核素识别实验，7种不同分类算法的平均识别率达到91.71%，实验结果的统计分析表明，本文提出的特征提取方法识别准确率显著地高于两种传统核素能谱特征提取方法准确率。
提出了一种基于稀疏表示的核素能谱特征提取方法，其实质是将核素能谱在区分性最好的稀疏原子上进行投影。利用稀疏分解方法对核素能谱进行稀疏分解，提取分解系数向量作为表征核素的特征向量，通过模式识别分类方法建立分类模型实现核素识别。与传统稀疏分解方法的区别在于：在能谱稀疏分解过程中按照稀疏字典中的原子排列顺序顺次进行分解；其次，分解目的在于特征提取，即最终提取到的特征对不同核素具有可区分性，并不要求核素能谱的重构精度。在241Am, 133Ba, 60Co, 137Cs, 131I和152Eu共6种核素1200个能谱数据上进行了核素识别实验，7种不同分类算法的平均识别率达到91.71%，实验结果的统计分析表明，本文提出的特征提取方法识别准确率显著地高于两种传统核素能谱特征提取方法准确率。
2018, 30: 049001.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170044
摘要:
为了提高聚氨酯(PU)合成革透湿性，分别使用343 nm飞秒激光和作为对比的1030 nm飞秒激光及1064 nm纳秒激光制备微孔阵列。采用扫描电镜(SEM)和3D激光扫描显微镜对比研究了微孔形貌。结果表明，343 nm飞秒激光可以制备出效果最佳的微孔。此外，分析了3种激光与PU涂层的作用机理，揭示了343 nm飞秒激光合成革微钻孔过程仅表现为光化学烧蚀，光化学和光热烧蚀同时发生于1030 nm飞秒激光钻孔过程，而1064 nm纳秒激光只显示了光热烧蚀。激光合成革表面钻孔后，测量其透湿性和抗张力。结果显示: 微孔密度越大，皮革透湿性(WVP)越大而抗张力越低，脉冲重叠的增加会导致WVP的增加和抗张力的下降；同时，随着脉冲重叠从91.7%降到50%，微孔直径从45 μm降低到30 μm，而微孔锥度从0.7°增加到12.1°；当脉冲重叠率为91.7%，微孔密度为2550/cm2时，最大的WVP增长率为306%。
为了提高聚氨酯(PU)合成革透湿性，分别使用343 nm飞秒激光和作为对比的1030 nm飞秒激光及1064 nm纳秒激光制备微孔阵列。采用扫描电镜(SEM)和3D激光扫描显微镜对比研究了微孔形貌。结果表明，343 nm飞秒激光可以制备出效果最佳的微孔。此外，分析了3种激光与PU涂层的作用机理，揭示了343 nm飞秒激光合成革微钻孔过程仅表现为光化学烧蚀，光化学和光热烧蚀同时发生于1030 nm飞秒激光钻孔过程，而1064 nm纳秒激光只显示了光热烧蚀。激光合成革表面钻孔后，测量其透湿性和抗张力。结果显示: 微孔密度越大，皮革透湿性(WVP)越大而抗张力越低，脉冲重叠的增加会导致WVP的增加和抗张力的下降；同时，随着脉冲重叠从91.7%降到50%，微孔直径从45 μm降低到30 μm，而微孔锥度从0.7°增加到12.1°；当脉冲重叠率为91.7%，微孔密度为2550/cm2时，最大的WVP增长率为306%。
