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RSS2018年 30卷 第8期
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2018, 30: 081001.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180020
摘要:
为了解决大口径光学元件面形高精度测量问题，建立了拼接测量系统，通过测量得到整体表面面形。在拼接测量过程中，需要将待测面形进行划分，按着一定的顺序进行测量，再根据各个子口径之间的相对位置进行拼接。各个子口径存在重叠部分，采用均化的处理方法会导致高频面形数据的丢失。采用小波变换的拼接重叠区域融合方法可以减少高频数据的丢失。首先，对各个子口径的重叠区域分别进行小波变换得到低频和高频系数矩阵；然后，根据不同的方法对低频和高频系数矩阵进行融合得到新的系数矩阵；最后，通过小波逆变换得到整体面形。对尺寸为120 mm×40 mm的长方形反射镜面形进行拼接干涉测量，并用功率谱密度对本文方法和平均融合结果进行客观比较。实验结果表明，该方法可以保留更多的高频面形数据。
为了解决大口径光学元件面形高精度测量问题，建立了拼接测量系统，通过测量得到整体表面面形。在拼接测量过程中，需要将待测面形进行划分，按着一定的顺序进行测量，再根据各个子口径之间的相对位置进行拼接。各个子口径存在重叠部分，采用均化的处理方法会导致高频面形数据的丢失。采用小波变换的拼接重叠区域融合方法可以减少高频数据的丢失。首先，对各个子口径的重叠区域分别进行小波变换得到低频和高频系数矩阵；然后，根据不同的方法对低频和高频系数矩阵进行融合得到新的系数矩阵；最后，通过小波逆变换得到整体面形。对尺寸为120 mm×40 mm的长方形反射镜面形进行拼接干涉测量，并用功率谱密度对本文方法和平均融合结果进行客观比较。实验结果表明，该方法可以保留更多的高频面形数据。
2018, 30: 081002.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170497
摘要:
针对输出耦合镜旋转调谐时输出光束方向变化问题，设计了一种光纤位置平移、而调谐输出光束方向不变的光纤激光器系统。运用光栅方程，分析了光纤平移的调谐机理；采用输出与反馈光束耦合模型，分析了输出增益线宽随光纤位置、光束半径的变化。理论分析表明：该光纤激光器可获得线宽小于0.2 nm的调谐激光输出。实验结果表明，该激光器在波长为1543.446 nm处获得的调谐输出功率最大，达到470 mW，计算的斜率效率为23.9 %；整个调谐区域达到36 nm，调谐范围内激光的3 dB线宽小于0.08 nm。
针对输出耦合镜旋转调谐时输出光束方向变化问题，设计了一种光纤位置平移、而调谐输出光束方向不变的光纤激光器系统。运用光栅方程，分析了光纤平移的调谐机理；采用输出与反馈光束耦合模型，分析了输出增益线宽随光纤位置、光束半径的变化。理论分析表明：该光纤激光器可获得线宽小于0.2 nm的调谐激光输出。实验结果表明，该激光器在波长为1543.446 nm处获得的调谐输出功率最大，达到470 mW，计算的斜率效率为23.9 %；整个调谐区域达到36 nm，调谐范围内激光的3 dB线宽小于0.08 nm。
2018, 30: 081003.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180079
摘要:
利用二氧化碳激光器加热法，将普通单模光纤拉制成微纳光纤，用湿法转移石墨烯覆盖在微纳光纤上构成复合波导，不同波长的光通过耦合器进入复合波导，以倏逝波的形式与石墨烯相互作用，开展石墨烯优先吸收特性的研究。当短波作为泵浦光时，随着入射强度的增长，测得输出端长波信号光光谱的变化，获得了约3.5 dB的调制深度，0.62 dB·mW-1的调制效率。当长波作为泵浦光并改变入射光强时，在输出端测得作为信号光的短波透过率变化约1.9%。实验结果表明，随着任意波长泵浦光入射光强的增长，复合波导对其表现出优先吸收的特性。实验还测试了长波和短波分别经过复合波导后透过率随输入功率的变化，得出长波的透过率增加速度比短波更快，并从能带和倏逝波两方面作出了对应的理论分析。
利用二氧化碳激光器加热法，将普通单模光纤拉制成微纳光纤，用湿法转移石墨烯覆盖在微纳光纤上构成复合波导，不同波长的光通过耦合器进入复合波导，以倏逝波的形式与石墨烯相互作用，开展石墨烯优先吸收特性的研究。当短波作为泵浦光时，随着入射强度的增长，测得输出端长波信号光光谱的变化，获得了约3.5 dB的调制深度，0.62 dB·mW-1的调制效率。当长波作为泵浦光并改变入射光强时，在输出端测得作为信号光的短波透过率变化约1.9%。实验结果表明，随着任意波长泵浦光入射光强的增长，复合波导对其表现出优先吸收的特性。实验还测试了长波和短波分别经过复合波导后透过率随输入功率的变化，得出长波的透过率增加速度比短波更快，并从能带和倏逝波两方面作出了对应的理论分析。
2018, 30: 082001.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180028
摘要:
为了克服游离磨粒抛光的随机性、磨料浪费以及产生的水合层等问题，提出了一种无水环境下熔融石英玻璃固结磨粒抛光技术。研究实现了稳定的抛光轮烧结工艺，并应用于熔融石英玻璃抛光加工，通过对加工产物和抛光轮粉末进行EDS能谱分析和XRD衍射分析，从微观上初步阐述了固结磨粒抛光的去除机理；从宏观上探索压力和转速对去除效率和表面粗糙度的影响。实验结果表明：加工过程中，在法向力和剪切力作用下，CeO2磨粒和熔融石英发生化学反应，CeO2将SiO2带出玻璃，实现材料去除；同时，压力和转速对加工效率影响并不遵循Preston公式，温升和排屑成为决定去除效率的关键。
为了克服游离磨粒抛光的随机性、磨料浪费以及产生的水合层等问题，提出了一种无水环境下熔融石英玻璃固结磨粒抛光技术。研究实现了稳定的抛光轮烧结工艺，并应用于熔融石英玻璃抛光加工，通过对加工产物和抛光轮粉末进行EDS能谱分析和XRD衍射分析，从微观上初步阐述了固结磨粒抛光的去除机理；从宏观上探索压力和转速对去除效率和表面粗糙度的影响。实验结果表明：加工过程中，在法向力和剪切力作用下，CeO2磨粒和熔融石英发生化学反应，CeO2将SiO2带出玻璃，实现材料去除；同时，压力和转速对加工效率影响并不遵循Preston公式，温升和排屑成为决定去除效率的关键。
2018, 30: 082002.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170493
摘要:
利用光学设计软件ZEMAX模拟Wolter显微镜对点光源成像。在只考虑几何光学成像的条件下，分三种情况讨论：两曲面同轴共焦点，两曲面不同轴，两曲面同轴不共焦点，对点源通过Wolter系统成像分别进行了光线追踪模拟。通过模拟，定量给出了Wolter显微镜的焦深和景深，分析了处于不同视场点源所成的像，以及两个曲面不同轴时和不共焦点的情况下点源所成的像, 得知Wolter显微镜对物像距的要求很严格，两曲面的不同轴度和两曲面的不共焦点对成像影响非常大，这些模拟结果为Wolter显微镜的成像分析提供了依据。
利用光学设计软件ZEMAX模拟Wolter显微镜对点光源成像。在只考虑几何光学成像的条件下，分三种情况讨论：两曲面同轴共焦点，两曲面不同轴，两曲面同轴不共焦点，对点源通过Wolter系统成像分别进行了光线追踪模拟。通过模拟，定量给出了Wolter显微镜的焦深和景深，分析了处于不同视场点源所成的像，以及两个曲面不同轴时和不共焦点的情况下点源所成的像, 得知Wolter显微镜对物像距的要求很严格，两曲面的不同轴度和两曲面的不共焦点对成像影响非常大，这些模拟结果为Wolter显微镜的成像分析提供了依据。
2018, 30: 083001.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170429
摘要:
介绍了自主研发的强电磁脉冲多物理效应并行计算程序JEMS-CDS-System的情况，该程序采用时域有限元方法，基于JAUMIN并行自适应结构网格支撑框架研制，并行效能高，可扩展性强，且支持动态负载平衡。通过算例测试表明，该程序对于键合线的电-热-应力失效过程的最高温度与范式等效应力计算结果与COMSOL软件计算结果吻合较好；SiP功率放大模块的热-应力耦合天河2高性能计算平台并行计算结果表明，该程序在CPU1024核时，具有38.1%并行效率。
介绍了自主研发的强电磁脉冲多物理效应并行计算程序JEMS-CDS-System的情况，该程序采用时域有限元方法，基于JAUMIN并行自适应结构网格支撑框架研制，并行效能高，可扩展性强，且支持动态负载平衡。通过算例测试表明，该程序对于键合线的电-热-应力失效过程的最高温度与范式等效应力计算结果与COMSOL软件计算结果吻合较好；SiP功率放大模块的热-应力耦合天河2高性能计算平台并行计算结果表明，该程序在CPU1024核时，具有38.1%并行效率。
2018, 30: 083002.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180050
摘要:
以弱色散特性的扇形金属-介质夹持杆螺旋线慢波结构的Ka波段行波管作为研究对象，进行了互作用特性仿真研究。采用螺距跳变和磁场跳变技术进一步提高了该行波管在工作频带的输出功率和电子效率，并解决了电子注散焦问题。设计结果表明：当工作电压为9 kV、工作电流为210 mA时，行波管在24~40 GHz整个频带内，各频点的增益在37.7~48.7 dB之间，电子效率在15.18%~19.42%之间，输出功率大于286 W。此结果较之均匀周期的设计结果，电子效率增幅在4.19%以上，输出功率增长率在4.3%以上，尤其在26~37 GHz范围内，电子效率增幅达到了11.8%以上，输出功率增长率达11.9%。
以弱色散特性的扇形金属-介质夹持杆螺旋线慢波结构的Ka波段行波管作为研究对象，进行了互作用特性仿真研究。采用螺距跳变和磁场跳变技术进一步提高了该行波管在工作频带的输出功率和电子效率，并解决了电子注散焦问题。设计结果表明：当工作电压为9 kV、工作电流为210 mA时，行波管在24~40 GHz整个频带内，各频点的增益在37.7~48.7 dB之间，电子效率在15.18%~19.42%之间，输出功率大于286 W。此结果较之均匀周期的设计结果，电子效率增幅在4.19%以上，输出功率增长率在4.3%以上，尤其在26~37 GHz范围内，电子效率增幅达到了11.8%以上，输出功率增长率达11.9%。
2018, 30: 083003.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170446
摘要:
针对控制系统软件在线更新或升级维护的需要，构建了SoPC远程更新系统，研究了一种远程在线更新FPGA硬件配置文件和Nios II软件可执行文件的可重构方法。通过硬件配置代码和软件可执行代码引导顺序的分析，设计了高级BootLoader，可以从任意指定地址加载应用模式映像软件代码；EPCS存储用于远程更新的工厂模式映像和多份用于天线相位控制的应用模式映像；采用自定义的CAN应用层协议，用于传输及校验数据，保证了传输的可靠性。实验验证了方案的可行性，系统可进行多份配置程序的自由切换；即使远程更新失败，FPGA也能自动加载工厂模式映像，提高了系统安全性和可靠性。
针对控制系统软件在线更新或升级维护的需要，构建了SoPC远程更新系统，研究了一种远程在线更新FPGA硬件配置文件和Nios II软件可执行文件的可重构方法。通过硬件配置代码和软件可执行代码引导顺序的分析，设计了高级BootLoader，可以从任意指定地址加载应用模式映像软件代码；EPCS存储用于远程更新的工厂模式映像和多份用于天线相位控制的应用模式映像；采用自定义的CAN应用层协议，用于传输及校验数据，保证了传输的可靠性。实验验证了方案的可行性，系统可进行多份配置程序的自由切换；即使远程更新失败，FPGA也能自动加载工厂模式映像，提高了系统安全性和可靠性。
2018, 30: 083004.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180025
摘要:
开展了40 kW预群聚注入锁相回旋管的理论与模拟设计。基于全电磁仿真方法完成了预群聚腔的设计，并采用给定场理论对电子束经过预调制腔后的群聚状态进行了计算。采用自洽理论获得了回旋管的自由振荡工作参数，并计算了振荡频率随各种参数变化的规律，由此提出了锁相带宽的要求。采用PIC粒子模拟进行了锁相状态的模拟，得到7 mm漂移距离下锁定增益可达30.5 dB，相应的锁相带宽为20 MHz。如果进一步增长漂移距离或者进一步增大输入功率，锁相带宽还会增大。理论计算和粒子模拟结果表明40 kW级回旋管注入锁相具有良好的可行性。
开展了40 kW预群聚注入锁相回旋管的理论与模拟设计。基于全电磁仿真方法完成了预群聚腔的设计，并采用给定场理论对电子束经过预调制腔后的群聚状态进行了计算。采用自洽理论获得了回旋管的自由振荡工作参数，并计算了振荡频率随各种参数变化的规律，由此提出了锁相带宽的要求。采用PIC粒子模拟进行了锁相状态的模拟，得到7 mm漂移距离下锁定增益可达30.5 dB，相应的锁相带宽为20 MHz。如果进一步增长漂移距离或者进一步增大输入功率，锁相带宽还会增大。理论计算和粒子模拟结果表明40 kW级回旋管注入锁相具有良好的可行性。
2018, 30: 083005.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180074
摘要:
设计了一种尺寸紧凑并具有高功率容量的圆波导TE11-TM01模式转换器，结构呈直角转弯形状。该转换器利用传输TE11模式的圆波导与其E面分支耦合进行模式转换，并在TM01输出端口的反向传输短路面加入调配螺钉来拓宽频带。设计结果表明，转换器在工作频率12.7 GHz处的转换效率为99.6%，大于90%的带宽约20%，填充SF6绝缘气体工作时可获得12 MW的功率容量。
设计了一种尺寸紧凑并具有高功率容量的圆波导TE11-TM01模式转换器，结构呈直角转弯形状。该转换器利用传输TE11模式的圆波导与其E面分支耦合进行模式转换，并在TM01输出端口的反向传输短路面加入调配螺钉来拓宽频带。设计结果表明，转换器在工作频率12.7 GHz处的转换效率为99.6%，大于90%的带宽约20%，填充SF6绝缘气体工作时可获得12 MW的功率容量。
2018, 30: 083006.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180036
摘要:
针对kW级微波驱动的锁相GW高功率微波，设计了一个高增益(大于50 dB)四腔相对论速调管放大器(RKA)。模拟表明，在此条件下高次模振荡严重影响器件的锁相实现。由此，将RKA结构与正反馈振荡电路结合起来，建立相应的等效电路来研究这种高次模激励的物理过程(即高次模的激励与中间腔之间耦合强度的相关性)。在高次模振荡的等效电路(即正反馈振荡电路)中，用衰减电阻代替结构中的微波吸收层来研究高次模振荡的抑制机理，衰减电阻通过对反馈过程的控制，提高了电路的自激振荡起振电流。在结构上按照衰减电阻要求设计了微波吸收层，将高次模振荡的起振电流提高到大于器件的工作电流，实现了高增益(约60 dB)条件下高次模激励的抑制。模拟获得了4 kW微波功率驱动的2.3 GW锁相高功率微波，增益接近60 dB。在LTD加速器平台的实验结果表明：注入微波由固态RF种子源提供(功率10 kW)，输出功率达到1.8 GW，增益为52.6 dB，90 ns内输入和输出微波的相对相位差小于±10°，实验上实现了kW级注入微波对GW高功率微波的相位锁定。
针对kW级微波驱动的锁相GW高功率微波，设计了一个高增益(大于50 dB)四腔相对论速调管放大器(RKA)。模拟表明，在此条件下高次模振荡严重影响器件的锁相实现。由此，将RKA结构与正反馈振荡电路结合起来，建立相应的等效电路来研究这种高次模激励的物理过程(即高次模的激励与中间腔之间耦合强度的相关性)。在高次模振荡的等效电路(即正反馈振荡电路)中，用衰减电阻代替结构中的微波吸收层来研究高次模振荡的抑制机理，衰减电阻通过对反馈过程的控制，提高了电路的自激振荡起振电流。在结构上按照衰减电阻要求设计了微波吸收层，将高次模振荡的起振电流提高到大于器件的工作电流，实现了高增益(约60 dB)条件下高次模激励的抑制。模拟获得了4 kW微波功率驱动的2.3 GW锁相高功率微波，增益接近60 dB。在LTD加速器平台的实验结果表明：注入微波由固态RF种子源提供(功率10 kW)，输出功率达到1.8 GW，增益为52.6 dB，90 ns内输入和输出微波的相对相位差小于±10°，实验上实现了kW级注入微波对GW高功率微波的相位锁定。
2018, 30: 083007.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180001
摘要:
基于Valentine天线的辐射原理，设计出可发射峰值电压610 kV、频谱范围0.2~2 GHz高功率脉冲的超宽带天线。利用油作为绝缘介质过渡巴伦可使天线直接加载于50 Ω的同轴波导上；通过优化填充介质及天线拓扑结构提高了耐压能力及辐射特性。仿真结果表明，设计的天线具有低反射、宽频带、高增益和高耐压强度等优点。
基于Valentine天线的辐射原理，设计出可发射峰值电压610 kV、频谱范围0.2~2 GHz高功率脉冲的超宽带天线。利用油作为绝缘介质过渡巴伦可使天线直接加载于50 Ω的同轴波导上；通过优化填充介质及天线拓扑结构提高了耐压能力及辐射特性。仿真结果表明，设计的天线具有低反射、宽频带、高增益和高耐压强度等优点。
2018, 30: 083008.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170472
摘要:
A two-dimensional electron-thermal model of the PNP type Darlington tube is established, and the transient behaviors of the Darlington tube in the forward-active region are simulated with the injection of high power microwaves (HPMs) and electromagnetic pulses (EMPs) from the collector. A discussion and a comparison of the damage effects and the mechanism of the device under the injection of HPMs and EMPs are performed. The results show that temperature variation has a periodic rule of "decrease-increase" and temperature elevation occurs in the positive half-period, and the cylindrical region of base-emitter junction of the second transistor (near the emitter of the Darlington tube) is susceptible to damage when HPM signals are injected. While temperature keeps rising and the rate of increase presents a tendency of "rapid-slow" until the device burns out under the injection of EMP signals, and the damage location is the same as the damage area of HPM injection. In addition, the damage mechanism during the positive half-period of HPM injection is similar to that of EPM injection. Finally, the dependence relations of damage energy and damage power of EMPs and HPMs on pulse-width are obtained in a nanosecond range. It is demonstrated that energy threshold increase slowly while power threshold decrease with the increasing of pulse-width.
A two-dimensional electron-thermal model of the PNP type Darlington tube is established, and the transient behaviors of the Darlington tube in the forward-active region are simulated with the injection of high power microwaves (HPMs) and electromagnetic pulses (EMPs) from the collector. A discussion and a comparison of the damage effects and the mechanism of the device under the injection of HPMs and EMPs are performed. The results show that temperature variation has a periodic rule of "decrease-increase" and temperature elevation occurs in the positive half-period, and the cylindrical region of base-emitter junction of the second transistor (near the emitter of the Darlington tube) is susceptible to damage when HPM signals are injected. While temperature keeps rising and the rate of increase presents a tendency of "rapid-slow" until the device burns out under the injection of EMP signals, and the damage location is the same as the damage area of HPM injection. In addition, the damage mechanism during the positive half-period of HPM injection is similar to that of EPM injection. Finally, the dependence relations of damage energy and damage power of EMPs and HPMs on pulse-width are obtained in a nanosecond range. It is demonstrated that energy threshold increase slowly while power threshold decrease with the increasing of pulse-width.
2018, 30: 083201.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180040
摘要:
基于理想地面上单导体传输线渐近法，提出了改进的多导体传输线渐近法。与已有多导体传输线渐近法相比，所提方法步骤简单，求解效率高。利用所提方法计算电磁波与不同结构多导体传输线网络之间的耦合，结果与全波分析方法计算结果吻合很好。在此基础上，分析了多导体传输线导线间距对沿线感应电流的影响。结果表明，随着导线间距变化，矩形网络和平行网络沿线感应电流波形变化趋势不同，且当间距大于一个波长后，平行网络和理想地面上相同结构的单导线具有相同的沿线感应电流。
基于理想地面上单导体传输线渐近法，提出了改进的多导体传输线渐近法。与已有多导体传输线渐近法相比，所提方法步骤简单，求解效率高。利用所提方法计算电磁波与不同结构多导体传输线网络之间的耦合，结果与全波分析方法计算结果吻合很好。在此基础上，分析了多导体传输线导线间距对沿线感应电流的影响。结果表明，随着导线间距变化，矩形网络和平行网络沿线感应电流波形变化趋势不同，且当间距大于一个波长后，平行网络和理想地面上相同结构的单导线具有相同的沿线感应电流。
2018, 30: 083202.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170434
摘要:
针对还原论在体系化电子信息装备试验评估中存在的困难，以一体化指挥信息系统这一典型电子信息装备为研究对象，依据“OODA”环基本理论，分析了信息在指挥信息系统中的传递过程，进而得到指挥信息系统OODA控制环路的本质内涵；从复杂系统角度，研究了一体化指挥信息系统的复杂性特点；结合一体化指挥信息系统自身的独特特征，剖析了基于还原论的性能试验方法在体系化电子信息装备试验问题分解时的根本困难；为解决此难题，基于系统论的综合集成方法，从方法论上提出一种用于指挥信息系统试验问题分解的方法，以一体化防空指挥信息系统抗干扰指标体系构建为例说明了该方法在试验问题分解方面的应用过程，表明了该方法在体系化电子信息装备试验评估问题分解中的有效性。
针对还原论在体系化电子信息装备试验评估中存在的困难，以一体化指挥信息系统这一典型电子信息装备为研究对象，依据“OODA”环基本理论，分析了信息在指挥信息系统中的传递过程，进而得到指挥信息系统OODA控制环路的本质内涵；从复杂系统角度，研究了一体化指挥信息系统的复杂性特点；结合一体化指挥信息系统自身的独特特征，剖析了基于还原论的性能试验方法在体系化电子信息装备试验问题分解时的根本困难；为解决此难题，基于系统论的综合集成方法，从方法论上提出一种用于指挥信息系统试验问题分解的方法，以一体化防空指挥信息系统抗干扰指标体系构建为例说明了该方法在试验问题分解方面的应用过程，表明了该方法在体系化电子信息装备试验评估问题分解中的有效性。
2018, 30: 083203.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180101
摘要:
靶室腔体谐振产生的电磁辐射是超短超强激光与靶相互作用实验中生成的电磁脉冲(EMP)来源之一。基于有限元分析方法，对靶室腔谐振产生电磁脉冲和电磁脉冲通过窗口向外传播这两个过程进行仿真模拟。前者模拟获得空腔和含结构模型谐振时特征磁场，结果显示内部结构对电磁场强度分布和谐振频率有显著影响；后者模拟结果显示，窗口外侧电场强度比窗口内侧高约40%，而且电磁脉冲传播到靶室外后呈球面波形式扩散并衰减。对电磁脉冲的强度衰减规律进行了分析，得到该衰减曲线的拟合函数。
靶室腔体谐振产生的电磁辐射是超短超强激光与靶相互作用实验中生成的电磁脉冲(EMP)来源之一。基于有限元分析方法，对靶室腔谐振产生电磁脉冲和电磁脉冲通过窗口向外传播这两个过程进行仿真模拟。前者模拟获得空腔和含结构模型谐振时特征磁场，结果显示内部结构对电磁场强度分布和谐振频率有显著影响；后者模拟结果显示，窗口外侧电场强度比窗口内侧高约40%，而且电磁脉冲传播到靶室外后呈球面波形式扩散并衰减。对电磁脉冲的强度衰减规律进行了分析，得到该衰减曲线的拟合函数。
2018, 30: 084101.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180093
摘要:
微带交指滤波器通常需要使用接地孔接地，传统的设计方法是在整体建模时再考虑接地孔的影响，导致了接地孔的个数、大小、位置都不确定的多因素、多水平问题，因此可以在设计过程中提前考虑接地孔的影响来避免这些问题。以Ka波段滤波器为案例，分别使用了传统的奇偶模阻抗法、耦合系数和外部品质因数法以及在设计过程中考虑了接地孔的改进方法进行设计。初始设计结果显示，传统方法的中心频率发生偏移，并且其他参数与设计指标相差甚远，而改进方法的中心频率、通带范围以及带外抑制满足指标要求，并且最大插入损耗为3.08 dB，最小回波损耗为10.08 dB，有利于减少后续迭代次数。
微带交指滤波器通常需要使用接地孔接地，传统的设计方法是在整体建模时再考虑接地孔的影响，导致了接地孔的个数、大小、位置都不确定的多因素、多水平问题，因此可以在设计过程中提前考虑接地孔的影响来避免这些问题。以Ka波段滤波器为案例，分别使用了传统的奇偶模阻抗法、耦合系数和外部品质因数法以及在设计过程中考虑了接地孔的改进方法进行设计。初始设计结果显示，传统方法的中心频率发生偏移，并且其他参数与设计指标相差甚远，而改进方法的中心频率、通带范围以及带外抑制满足指标要求，并且最大插入损耗为3.08 dB，最小回波损耗为10.08 dB，有利于减少后续迭代次数。
2018, 30: 085001.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170320
摘要:
利用X箍缩等离子体产生的μm级、亚ns脉冲X射线点源对双丝电爆炸过程进行了X射线背光照相，结果表明：真空环境下爆炸丝通常形成“核冕”结构，即高密度丝核表面围绕着低密度冕等离子体；随后在全局磁场驱动下，冕层将被连续剥离并向轴线汇聚，形成“先驱等离子体”，大大降低丝阵的内爆品质。针对上述问题，进一步对实现“无核丝爆”(提高丝核沉积能量实现金属丝的均匀汽化)的方法进行了研究。实验结果表明：提高驱动电流上升率以及在金属丝表面构造正向径向电场均有利于丝核沉积能量的提高。结合上述两种方法，提出了阴极串联闪络开关的电极构型，大幅度提高了丝核沉积能量：正负极性驱动电流下比能量分别提高到原来的2倍(从5.7 eV/atom到13 eV/atom)和3.5倍(3.4 eV/atom到12 eV/atom)，均超过了钨丝汽化能(8.8 eV/atom)，且激光干涉图像表明爆炸产物具有很高的汽化率，即实现了“无核丝爆”。
利用X箍缩等离子体产生的μm级、亚ns脉冲X射线点源对双丝电爆炸过程进行了X射线背光照相，结果表明：真空环境下爆炸丝通常形成“核冕”结构，即高密度丝核表面围绕着低密度冕等离子体；随后在全局磁场驱动下，冕层将被连续剥离并向轴线汇聚，形成“先驱等离子体”，大大降低丝阵的内爆品质。针对上述问题，进一步对实现“无核丝爆”(提高丝核沉积能量实现金属丝的均匀汽化)的方法进行了研究。实验结果表明：提高驱动电流上升率以及在金属丝表面构造正向径向电场均有利于丝核沉积能量的提高。结合上述两种方法，提出了阴极串联闪络开关的电极构型，大幅度提高了丝核沉积能量：正负极性驱动电流下比能量分别提高到原来的2倍(从5.7 eV/atom到13 eV/atom)和3.5倍(3.4 eV/atom到12 eV/atom)，均超过了钨丝汽化能(8.8 eV/atom)，且激光干涉图像表明爆炸产物具有很高的汽化率，即实现了“无核丝爆”。
2018, 30: 085002.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170528
摘要:
为满足某强电磁脉冲辐射系统对轻小型脱离地面脉冲电源的应用需求，研究了一种微型动态级联爆磁压缩发生器。首先介绍了该发生器的结构参数，然后利用基于等效电路的数值计算模型对该发生器电路参数和输入输出电流进行了模拟计算，最后以蓄电池供电的初始能源为发生器提供初始种子电流，对发生器输出特性进行了爆轰实验。实验结果表明，发生器在1.44 μH电感负载上产生脉冲电流峰值达到49 kA，电流上升时间5.2 μs，能量放大约7.8倍。
为满足某强电磁脉冲辐射系统对轻小型脱离地面脉冲电源的应用需求，研究了一种微型动态级联爆磁压缩发生器。首先介绍了该发生器的结构参数，然后利用基于等效电路的数值计算模型对该发生器电路参数和输入输出电流进行了模拟计算，最后以蓄电池供电的初始能源为发生器提供初始种子电流，对发生器输出特性进行了爆轰实验。实验结果表明，发生器在1.44 μH电感负载上产生脉冲电流峰值达到49 kA，电流上升时间5.2 μs，能量放大约7.8倍。
2018, 30: 085003.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170425
摘要:
闪光X射线源是获得高凝聚态物质内部物理图像的重要手段，阳极杆箍缩二极管(RPD)作为其重要组成部分之一，直接影响闪光X射线源照相质量。研究RPD物理特性对二极管物理结构优化设计及实验调试具有重要意义。分析了RPD空间电荷限制、弱箍缩和磁绝缘阶段物理模型。基于PIC模拟技术，编写了计算程序，研究了RPD不同阶段的电子电流、离子电流及电子束箍缩物理特性。通过理论分析，获得了特定几何结构RPD物理模型修正系数及各个阶段离子电流与电子电流比，验证了粒子模拟代码的有效性。模拟结果表明：空间电荷限制阶段，粒子模拟结果与双极性流计算结果一致；在弱箍缩和磁绝缘阶段，粒子模拟得到的总电流与磁绝缘模型计算结果一致，且与文献给出的经验拟合表达式计算结果一致；磁绝缘阶段离子电流与电子电流之比与电压和二极管几何结构相关，给出了离子电子电流比增大系数η与电压和阴阳极半径比的关系，该系数受电子、离子在不同结构二极管渡越时间的影响，随电压和阴阳极半径比增加而逼近恒定值。
闪光X射线源是获得高凝聚态物质内部物理图像的重要手段，阳极杆箍缩二极管(RPD)作为其重要组成部分之一，直接影响闪光X射线源照相质量。研究RPD物理特性对二极管物理结构优化设计及实验调试具有重要意义。分析了RPD空间电荷限制、弱箍缩和磁绝缘阶段物理模型。基于PIC模拟技术，编写了计算程序，研究了RPD不同阶段的电子电流、离子电流及电子束箍缩物理特性。通过理论分析，获得了特定几何结构RPD物理模型修正系数及各个阶段离子电流与电子电流比，验证了粒子模拟代码的有效性。模拟结果表明：空间电荷限制阶段，粒子模拟结果与双极性流计算结果一致；在弱箍缩和磁绝缘阶段，粒子模拟得到的总电流与磁绝缘模型计算结果一致，且与文献给出的经验拟合表达式计算结果一致；磁绝缘阶段离子电流与电子电流之比与电压和二极管几何结构相关，给出了离子电子电流比增大系数η与电压和阴阳极半径比的关系，该系数受电子、离子在不同结构二极管渡越时间的影响，随电压和阴阳极半径比增加而逼近恒定值。
2018, 30: 085004.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170346
摘要:
基于高功率脉冲功率系统小型化和模块化发展要求，研制了一种集储能和脉冲形成功能为一体的脉冲形成模块。通过发展非均匀脉冲形成技术，成功将传统脉冲形成网络的级数降至两级，并保持其输出波形为近方波，大幅降低了近方波脉冲形成模块的体积重量。模块内部电容采用串联分压结构以提高其耐电压值，采用折叠式薄膜电容以提高其储能密度，结合薄膜/变压器油混合绝缘方式，实现了紧凑化、耐高压设计。利用PSpice电路仿真，结合最坏情况模拟等方法，分析了模块内部电参数对其输出特性的影响，并进行了实验验证。模块耐电压值可达120 kV，单次储能密度高达41 kJ·m-3，可输出脉宽约180 ns的近方波高压脉冲。该模块将传统需要五级以上的脉冲形成网络的实际应用发展到两级，有利于实现多级高压方波Marx系统的紧凑化、模块化设计。
基于高功率脉冲功率系统小型化和模块化发展要求，研制了一种集储能和脉冲形成功能为一体的脉冲形成模块。通过发展非均匀脉冲形成技术，成功将传统脉冲形成网络的级数降至两级，并保持其输出波形为近方波，大幅降低了近方波脉冲形成模块的体积重量。模块内部电容采用串联分压结构以提高其耐电压值，采用折叠式薄膜电容以提高其储能密度，结合薄膜/变压器油混合绝缘方式，实现了紧凑化、耐高压设计。利用PSpice电路仿真，结合最坏情况模拟等方法，分析了模块内部电参数对其输出特性的影响，并进行了实验验证。模块耐电压值可达120 kV，单次储能密度高达41 kJ·m-3，可输出脉宽约180 ns的近方波高压脉冲。该模块将传统需要五级以上的脉冲形成网络的实际应用发展到两级，有利于实现多级高压方波Marx系统的紧凑化、模块化设计。
2018, 30: 085005.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170526
摘要:
LC谐振充电是Tesla变压器常用的初级电容充电技术，但存在对控制时序要求高、易受电磁干扰和不具备故障保护能力等缺陷。针对这个问题，提出了一种时基反馈控制的LC谐振充电电源。该电源与传统LC谐振电源的主要区别在于，采用特殊设计的时基反馈电路取代多路时基控制器，将能量回收开关反向阻断瞬间的电压突变调制为谐振晶闸管触发信号，从而在能量回收结束时刻启动谐振充电，实现各工作回路准确按照预定时序运行。时基反馈电路由高压元件构成，不易受电磁干扰，且在原理上具备负载短路保护能力。该技术已经应用于CKP1000，CKP5000等多台Tesla型超宽谱脉冲源。实验结果表明，在强脉冲辐射环境下，该电源能够1000 Hz重频稳定运行，且能够在Tesla变压器初级短路故障时进行快速自动保护。
LC谐振充电是Tesla变压器常用的初级电容充电技术，但存在对控制时序要求高、易受电磁干扰和不具备故障保护能力等缺陷。针对这个问题，提出了一种时基反馈控制的LC谐振充电电源。该电源与传统LC谐振电源的主要区别在于，采用特殊设计的时基反馈电路取代多路时基控制器，将能量回收开关反向阻断瞬间的电压突变调制为谐振晶闸管触发信号，从而在能量回收结束时刻启动谐振充电，实现各工作回路准确按照预定时序运行。时基反馈电路由高压元件构成，不易受电磁干扰，且在原理上具备负载短路保护能力。该技术已经应用于CKP1000，CKP5000等多台Tesla型超宽谱脉冲源。实验结果表明，在强脉冲辐射环境下，该电源能够1000 Hz重频稳定运行，且能够在Tesla变压器初级短路故障时进行快速自动保护。
2018, 30: 085101.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170438
摘要:
从理论和模拟两方面研究了西安质子应用装置二极铁、四极铁电源电流纹波对引出束流的影响，并根据模拟结果确定出以下单种磁铁电源电流纹波标准：对于聚焦四极铁电源，电流纹波/设定值应小于1.2×10-4；对于散焦四极铁电源，电流纹波/设定值应小于2×10-3；对于二极铁电源，电流纹波/设定值应小于4×10-4。因西安质子应用装置同步环上所有磁铁电源采用同一纹波标准，综合考虑所有磁铁电源电流纹波后，最终确定电源电流纹波/设定值应小于1×10-4。
从理论和模拟两方面研究了西安质子应用装置二极铁、四极铁电源电流纹波对引出束流的影响，并根据模拟结果确定出以下单种磁铁电源电流纹波标准：对于聚焦四极铁电源，电流纹波/设定值应小于1.2×10-4；对于散焦四极铁电源，电流纹波/设定值应小于2×10-3；对于二极铁电源，电流纹波/设定值应小于4×10-4。因西安质子应用装置同步环上所有磁铁电源采用同一纹波标准，综合考虑所有磁铁电源电流纹波后，最终确定电源电流纹波/设定值应小于1×10-4。
2018, 30: 085102.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180066
摘要:
介绍了同步辐射压弯镜重力引起的面型斜率误差及评价标准。根据梁的弯曲理论，提出了力矩加多点力补偿重力的方法，以上海光源XAFS光束线(BL14W)中的压弯镜为例，计算出力矩加两点力、力矩加三点和力矩加四点力补偿的最小斜率均方根误差分别为0.092，0.041，0.022 μrad。补偿结果的对比表明，当镜子两端有力矩补偿时，各补偿力相应减小，力矩加两点力、力矩加三点力和力矩加四点力补偿的面型斜率误差分别为没有力矩补偿时的52%，61%，68%。力矩加多点力补偿重力的方法明显优于多点力补偿重力的方法。
介绍了同步辐射压弯镜重力引起的面型斜率误差及评价标准。根据梁的弯曲理论，提出了力矩加多点力补偿重力的方法，以上海光源XAFS光束线(BL14W)中的压弯镜为例，计算出力矩加两点力、力矩加三点和力矩加四点力补偿的最小斜率均方根误差分别为0.092，0.041，0.022 μrad。补偿结果的对比表明，当镜子两端有力矩补偿时，各补偿力相应减小，力矩加两点力、力矩加三点力和力矩加四点力补偿的面型斜率误差分别为没有力矩补偿时的52%，61%，68%。力矩加多点力补偿重力的方法明显优于多点力补偿重力的方法。
2018, 30: 085103.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170485
摘要:
北京正负电子对撞机二期(BEPCⅡ)，国产500 MHz超导腔经过紧张的安装调试于2017年10月正式投入带束流运行。首先对此国产超导腔两次降温调试的相关参数进行了监测和对比分析；其次研究了通过高功率老练的方法改善超导腔的品质因数，并实时监测超导腔老练过程中的辐射剂量；最后对超导腔的带束流运行情况进行了介绍分析。结果表明：BEPCⅡ国产500 MHz超导腔虽然放置了6年，但是状态良好，通过高功率老练能够降低超导腔的辐射剂量，改善其性能，完全满足束流运行要求。
北京正负电子对撞机二期(BEPCⅡ)，国产500 MHz超导腔经过紧张的安装调试于2017年10月正式投入带束流运行。首先对此国产超导腔两次降温调试的相关参数进行了监测和对比分析；其次研究了通过高功率老练的方法改善超导腔的品质因数，并实时监测超导腔老练过程中的辐射剂量；最后对超导腔的带束流运行情况进行了介绍分析。结果表明：BEPCⅡ国产500 MHz超导腔虽然放置了6年，但是状态良好，通过高功率老练能够降低超导腔的辐射剂量，改善其性能，完全满足束流运行要求。
2018, 30: 085104.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180030
摘要:
波荡器磁中心轴的标定是保证自由电子激光装置波荡器安装准直精度的重要前提。介绍了一种利用磁靶标实现波荡器磁中心高精度标定的方法。设计制造了由若干块永磁块组合构成的磁靶标，其能产生一正一斜两个高梯度四极场。测出了两四极场垂直分量的零点位置分布并依此给出了磁靶标的具体使用方法。结果表明：标定后的波荡器磁中心在磁靶标坐标系中水平方向测量精度好于±20 μm，垂直方向测量精度好于±2 μm。
波荡器磁中心轴的标定是保证自由电子激光装置波荡器安装准直精度的重要前提。介绍了一种利用磁靶标实现波荡器磁中心高精度标定的方法。设计制造了由若干块永磁块组合构成的磁靶标，其能产生一正一斜两个高梯度四极场。测出了两四极场垂直分量的零点位置分布并依此给出了磁靶标的具体使用方法。结果表明：标定后的波荡器磁中心在磁靶标坐标系中水平方向测量精度好于±20 μm，垂直方向测量精度好于±2 μm。
2018, 30: 085105.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170504
摘要:
作为CSNS/RCS横向束流准直系统的关键部件，次级准直器用于吸收经主准直器散射后不在预定轨道的束晕粒子，其工作原理决定了该设备要求满足强辐射环境下的稳定性、超高真空及高定位精度等要求。基于主准直器的设计及研制经验，对次级准直器结构方案及控制系统进行详细设计。针对关键部件吸收体，结合辐射防护分析结果，考虑水冷降温的方式，设计了控制程序，通过有限元分析软件ANSYS对其进行瞬态热分析，保证吸收体设计的可行性。
作为CSNS/RCS横向束流准直系统的关键部件，次级准直器用于吸收经主准直器散射后不在预定轨道的束晕粒子，其工作原理决定了该设备要求满足强辐射环境下的稳定性、超高真空及高定位精度等要求。基于主准直器的设计及研制经验，对次级准直器结构方案及控制系统进行详细设计。针对关键部件吸收体，结合辐射防护分析结果，考虑水冷降温的方式，设计了控制程序，通过有限元分析软件ANSYS对其进行瞬态热分析，保证吸收体设计的可行性。
2018, 30: 085106.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180027
摘要:
The new parametric current transformer (NPCT) in BEPC Ⅱ has heating problem in high current collide mode.To find the causes and perform stable and precise measurement, wakefield simulation and eigenmode calculation have been carried out by CST, and the steady-state temperature distribution is calculated.The cut-off frequency of ceramic gap is obtained by equivalent reflection-impedance calculation.A practical solution is put forward according to the analysis, and ideal experimental results are obtained.The experiment basically solves the heating problem, it could be a guide for current transformer (CT) improvement and applied to CT designs in the future.
The new parametric current transformer (NPCT) in BEPC Ⅱ has heating problem in high current collide mode.To find the causes and perform stable and precise measurement, wakefield simulation and eigenmode calculation have been carried out by CST, and the steady-state temperature distribution is calculated.The cut-off frequency of ceramic gap is obtained by equivalent reflection-impedance calculation.A practical solution is put forward according to the analysis, and ideal experimental results are obtained.The experiment basically solves the heating problem, it could be a guide for current transformer (CT) improvement and applied to CT designs in the future.
2018, 30: 085107.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170355
摘要:
介绍了中国高能同步辐射光源验证装置(HEPS-TF)中超导3W1扭摆磁铁控制系统的设计。该控制系统主要包括电源控制系统和低温信号监测系统。整个控制系统基于实验物理及工业控制系统(EPICS)，其硬件结构以串口服务器为核心，将接口转换为标准的RS232/485接口。软件方面，通过应用StreamDevice设备驱动模块开发了基于Modbus协议的EPICS驱动，缩短了设备驱动的开发周期。上层控制界面采用嵌入了EPICS Qt框架的Qt Creator开发，增强了其灵活性。目前控制系统的离线测试已完成。
介绍了中国高能同步辐射光源验证装置(HEPS-TF)中超导3W1扭摆磁铁控制系统的设计。该控制系统主要包括电源控制系统和低温信号监测系统。整个控制系统基于实验物理及工业控制系统(EPICS)，其硬件结构以串口服务器为核心，将接口转换为标准的RS232/485接口。软件方面，通过应用StreamDevice设备驱动模块开发了基于Modbus协议的EPICS驱动，缩短了设备驱动的开发周期。上层控制界面采用嵌入了EPICS Qt框架的Qt Creator开发，增强了其灵活性。目前控制系统的离线测试已完成。
2018, 30: 086001.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180009
摘要:
反应堆的自然循环能力是其固有安全性的一项重要特征参数，利用RELAP5/Mod 3.4程序计算了JRR-3M池式研究堆在无应急冷却系统和有应急冷却系统条件下失去场外电源的事故工况，分析了冷却剂流动方向反转过程中的瞬态自然循环能力，并得到了最大自然循环载热能力。计算结果表明：应急冷却系统的投入明显地降低了燃料和冷却剂的温度，提高了反应堆的安全性；当衰变功率降低至590 kW时关闭辅助泵，利用自然循环能力可使反应堆达到安全状态。通过此研究堆的自然循环能力计算，验证了计算模型、计算方法的可行性，可进一步应用于此类型的研究堆。
反应堆的自然循环能力是其固有安全性的一项重要特征参数，利用RELAP5/Mod 3.4程序计算了JRR-3M池式研究堆在无应急冷却系统和有应急冷却系统条件下失去场外电源的事故工况，分析了冷却剂流动方向反转过程中的瞬态自然循环能力，并得到了最大自然循环载热能力。计算结果表明：应急冷却系统的投入明显地降低了燃料和冷却剂的温度，提高了反应堆的安全性；当衰变功率降低至590 kW时关闭辅助泵，利用自然循环能力可使反应堆达到安全状态。通过此研究堆的自然循环能力计算，验证了计算模型、计算方法的可行性，可进一步应用于此类型的研究堆。
2018, 30: 086002.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180062
摘要:
A previously under-explored difficulty in cargo inspections is how to efficiently detect drugs and explosives concealed in large dense metals.Cosmic ray muon tomography is a promising non-destructive imaging technique to solve the problem because muons are naturally generated in the atmosphere and have sufficient energy to completely penetrate large dense containers.In this work it is investigated that to what extent drugs and explosives of a certain size could be discriminated from air background and metals by muon tomography within acceptable measuring time.A Geant4 Monte Carlo simulation is built based on the Tsinghua University MUon Tomography facility (TUMUTY) and a support vector machine (SVM) classifier based on machine learning is trained to differentiate drugs and explosives from air background and metals automatically.For various 20 cm×20 cm×20 cm objects, with 10 min to 30 min measuring time, drugs and explosives could be discriminated from background and metals by muon tomography with an error rate of about 1%.With 1 min, the error rate deteriorates to 12.9%.
A previously under-explored difficulty in cargo inspections is how to efficiently detect drugs and explosives concealed in large dense metals.Cosmic ray muon tomography is a promising non-destructive imaging technique to solve the problem because muons are naturally generated in the atmosphere and have sufficient energy to completely penetrate large dense containers.In this work it is investigated that to what extent drugs and explosives of a certain size could be discriminated from air background and metals by muon tomography within acceptable measuring time.A Geant4 Monte Carlo simulation is built based on the Tsinghua University MUon Tomography facility (TUMUTY) and a support vector machine (SVM) classifier based on machine learning is trained to differentiate drugs and explosives from air background and metals automatically.For various 20 cm×20 cm×20 cm objects, with 10 min to 30 min measuring time, drugs and explosives could be discriminated from background and metals by muon tomography with an error rate of about 1%.With 1 min, the error rate deteriorates to 12.9%.
