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RSS2019年 31卷 第1期
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2019, 31: 012002.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180219
2019, 31: 015001.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180256
2019, 31: 015101.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180234
2019, 31: 012001.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180261
摘要:
为探讨电极表面发生变化的原因和烧蚀机理，为提升电极工作稳定性提供理论依据，分析了经过上万发次点灯测试的大功率脉冲氙灯稀土钨电极的表面形貌、元素深度分布及价态。结果表明：工作后的电极表面出现大量裂纹以及烧蚀坑；表面各元素主要由W, La, O三种元素组成，分布均匀；电极表面La以La3+形式存在，W存在原子态和+6价两种价态，占比分别为18.29%和81.71%；随刻蚀深度增加后，La的价态仍为+3价，W6+迅速减少直至W价态全部变为W0。
为探讨电极表面发生变化的原因和烧蚀机理，为提升电极工作稳定性提供理论依据，分析了经过上万发次点灯测试的大功率脉冲氙灯稀土钨电极的表面形貌、元素深度分布及价态。结果表明：工作后的电极表面出现大量裂纹以及烧蚀坑；表面各元素主要由W, La, O三种元素组成，分布均匀；电极表面La以La3+形式存在，W存在原子态和+6价两种价态，占比分别为18.29%和81.71%；随刻蚀深度增加后，La的价态仍为+3价，W6+迅速减少直至W价态全部变为W0。
2019, 31: 012002.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180219
摘要:
能源系统(PCS)为固体激光装置片状放大系统提供匹配的电脉冲泵浦能量，涉及到高压、大电流的充放电过程，在这个过程中可能发生电容器短路、高低压母排短路等灾难性故障。针对上述情况，建立了能源系统及其三种主要故障的数学模型；通过仿真计算分析了氙灯负载非线性特性对系统模型的影响，提出了加入补偿参数的修正模型，并通过实验验证了其有效性；分析了故障情况下关键元件(阻尼电感、调波电感、储能电容)的耐受能力以及保护措施。
能源系统(PCS)为固体激光装置片状放大系统提供匹配的电脉冲泵浦能量，涉及到高压、大电流的充放电过程，在这个过程中可能发生电容器短路、高低压母排短路等灾难性故障。针对上述情况，建立了能源系统及其三种主要故障的数学模型；通过仿真计算分析了氙灯负载非线性特性对系统模型的影响，提出了加入补偿参数的修正模型，并通过实验验证了其有效性；分析了故障情况下关键元件(阻尼电感、调波电感、储能电容)的耐受能力以及保护措施。
2019, 31: 012003.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180060
摘要:
为了增大惯性约束聚变玻璃靶丸的磁悬浮力，通过热处理工艺对其表面金属氧化物涂层进行晶态调控从而增强磁性能的方法对热处理温度控制精度要求极高，需要从多方面对温度进行把控。目前基于圆图记录仪的温度测量手段已经不能满足惯性约束聚变对热处理温度开展实时多模态数据分析的要求。提出一种针对精密热处理过程温度测量的多模态重构方法，首先将精密热处理过程的温度数据进行数字化传输与存储，然后在计算机中进行多模态解析与重构，最后基于空间拓扑关系与特征参数标定结果，利用Corexy机构实现热处理温度的多模态重构。结果表明所提方法可以实现对温度调控过程的单一化模态分离与多模态重构，实现误差一般小于5%。
为了增大惯性约束聚变玻璃靶丸的磁悬浮力，通过热处理工艺对其表面金属氧化物涂层进行晶态调控从而增强磁性能的方法对热处理温度控制精度要求极高，需要从多方面对温度进行把控。目前基于圆图记录仪的温度测量手段已经不能满足惯性约束聚变对热处理温度开展实时多模态数据分析的要求。提出一种针对精密热处理过程温度测量的多模态重构方法，首先将精密热处理过程的温度数据进行数字化传输与存储，然后在计算机中进行多模态解析与重构，最后基于空间拓扑关系与特征参数标定结果，利用Corexy机构实现热处理温度的多模态重构。结果表明所提方法可以实现对温度调控过程的单一化模态分离与多模态重构，实现误差一般小于5%。
2019, 31: 013001.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180095
摘要:
采用非线性理论探索了同轴多注相对论速调管放大器(CMRKA)的束波互作用特性，并与PIC结果进行了验证分析。首先推导了实心电子束的几何因子，然后分别给出了归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程，并给出了多注速调管放大器的同轴输入腔间隙耦合系数的公式。对于束压为600 kV、束流为5 kA的16注电子束，当输入腔间隙电压分别为4.6，32.7，189 kV时，采用一维非线性理论和三维粒子模拟程序分别计算了基波电流调制系数和距离的关系，理论和模拟结果比较一致。当间隙电压为4.6 kV时，理论计算了多注电子数的个数分别为8, 12, 16以及实心电子束的半径与单注电子束通道半径比6/15, 8/15, 10/15(通道半径不变)时基波电流调制系数随传输距离的变化。结果表明，随着多注电子数的个数和电子束半径的增加，基波电流调制系数有逐渐变大的趋势。此外还计算了当间隙电压为20 kV时，归一化电流和归一化电子束动能随时间的变化和归一化常数N(z)与调制电流的n次谐波的电流调制系数随传输距离的变化。
采用非线性理论探索了同轴多注相对论速调管放大器(CMRKA)的束波互作用特性，并与PIC结果进行了验证分析。首先推导了实心电子束的几何因子，然后分别给出了归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程，并给出了多注速调管放大器的同轴输入腔间隙耦合系数的公式。对于束压为600 kV、束流为5 kA的16注电子束，当输入腔间隙电压分别为4.6，32.7，189 kV时，采用一维非线性理论和三维粒子模拟程序分别计算了基波电流调制系数和距离的关系，理论和模拟结果比较一致。当间隙电压为4.6 kV时，理论计算了多注电子数的个数分别为8, 12, 16以及实心电子束的半径与单注电子束通道半径比6/15, 8/15, 10/15(通道半径不变)时基波电流调制系数随传输距离的变化。结果表明，随着多注电子数的个数和电子束半径的增加，基波电流调制系数有逐渐变大的趋势。此外还计算了当间隙电压为20 kV时，归一化电流和归一化电子束动能随时间的变化和归一化常数N(z)与调制电流的n次谐波的电流调制系数随传输距离的变化。
2019, 31: 013002.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180214
摘要:
This paper presents a compact wideband high power microwave source developed on the basis of a switched oscillator. To improve the operating voltage of the switched oscillator, it was filled with transformer oil for insulation. Furthermore, an electric-magnetic combined dipole antenna with relatively small physical dimensions and forward radiation pattern was employed as the radiating antenna. In the design stage, the performance of the switched oscillator and the radiating antenna was predicted by electromagnetic simulation. Then this wideband high power microwave source was tested in experiments and the radiated electric field was measured. As a result, the operating voltage of the switched oscillator exceeded 300 kV, while the radiation factor reached up to 125 kV and the central oscillating frequency was 375 MHz with a 3 dB bandwidth of 24%.
This paper presents a compact wideband high power microwave source developed on the basis of a switched oscillator. To improve the operating voltage of the switched oscillator, it was filled with transformer oil for insulation. Furthermore, an electric-magnetic combined dipole antenna with relatively small physical dimensions and forward radiation pattern was employed as the radiating antenna. In the design stage, the performance of the switched oscillator and the radiating antenna was predicted by electromagnetic simulation. Then this wideband high power microwave source was tested in experiments and the radiated electric field was measured. As a result, the operating voltage of the switched oscillator exceeded 300 kV, while the radiation factor reached up to 125 kV and the central oscillating frequency was 375 MHz with a 3 dB bandwidth of 24%.
2019, 31: 013201.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180252
摘要:
为了促进四级电磁轨道发射器在地空导弹武器发射中的应用，对四级电枢的过盈结构进行了研究。在有限元软件Ansys Workbench三维过盈装配仿真的基础上，选择最大等效应力、接触面积系数、接触压强均匀系数和相对接触压强系数四个表征接触特性的评价指标，采用正交试验的方法对四级电枢的过盈量、尾翼宽度、尾翼厚度和过盈长度4个过盈结构参数进行了综合优化。结果表明，采用过盈量2 mm、尾翼宽度140 mm、尾翼厚度40 mm、过盈长度270 mm的优水平组合能够使发射前期电枢和轨道间接触特性更理想，可为四级电枢结构设计提供参考。
为了促进四级电磁轨道发射器在地空导弹武器发射中的应用，对四级电枢的过盈结构进行了研究。在有限元软件Ansys Workbench三维过盈装配仿真的基础上，选择最大等效应力、接触面积系数、接触压强均匀系数和相对接触压强系数四个表征接触特性的评价指标，采用正交试验的方法对四级电枢的过盈量、尾翼宽度、尾翼厚度和过盈长度4个过盈结构参数进行了综合优化。结果表明，采用过盈量2 mm、尾翼宽度140 mm、尾翼厚度40 mm、过盈长度270 mm的优水平组合能够使发射前期电枢和轨道间接触特性更理想，可为四级电枢结构设计提供参考。
2019, 31: 014001.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180188
摘要:
讨论了线极化波对带电粒子三种加速机制：(1)介质折射率递减但外加磁场保持不变；(2)介质折射率不变但外加磁场递增；(3)介质折射率递减且外加磁场递增。结果显示，在一定的加速距离内，按照机制(3)利用LPEMW加速电子的效率最高。另外，机制(3)可以避免机制(2)中电子在加速过程中回飞的问题，这一点在利用线极化波(LPEMW)加速电子束或带电粒子束时非常重要。
讨论了线极化波对带电粒子三种加速机制：(1)介质折射率递减但外加磁场保持不变；(2)介质折射率不变但外加磁场递增；(3)介质折射率递减且外加磁场递增。结果显示，在一定的加速距离内，按照机制(3)利用LPEMW加速电子的效率最高。另外，机制(3)可以避免机制(2)中电子在加速过程中回飞的问题，这一点在利用线极化波(LPEMW)加速电子束或带电粒子束时非常重要。
2019, 31: 014101.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180227
摘要:
在正方格二维光子晶体结构中设计了基于可调谐谐振腔的带通滤波器，通过改变1×5谐振腔侧边调谐介质柱位置调节谐振腔与波导系统工作时传输的波段，用CMT理论分析了输入端耦合衰减率及输入端失谐因子对滤波器的影响。借助FDTD方法得到了滤波器波长传输谱，结果表明：当滤波器结构工作于1320~1810 nm波长段时，输出端38个通帯的-3 dB带宽Δλ范围为4.18~11.15 nm，通带峰值波长可调宽度为186.56 nm。该微型滤波器适于光电通信粗波分解复用WDDM系统设计和光集成设计等方面。
在正方格二维光子晶体结构中设计了基于可调谐谐振腔的带通滤波器，通过改变1×5谐振腔侧边调谐介质柱位置调节谐振腔与波导系统工作时传输的波段，用CMT理论分析了输入端耦合衰减率及输入端失谐因子对滤波器的影响。借助FDTD方法得到了滤波器波长传输谱，结果表明：当滤波器结构工作于1320~1810 nm波长段时，输出端38个通帯的-3 dB带宽Δλ范围为4.18~11.15 nm，通带峰值波长可调宽度为186.56 nm。该微型滤波器适于光电通信粗波分解复用WDDM系统设计和光集成设计等方面。
2019, 31: 015001.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180256
摘要:
利用FCM-PTS程序与负载动力学程序耦合模拟研究了聚龙一号装置中主开关导通时刻对Z箍缩实验中负载电流峰值和上升时间的影响。结果表明，虽然聚龙一号装置上下支路三平板传输线的单向传输时间相差20 ns，但是当上下支路主开关导通时刻的时间差为22 ns时，负载电流的峰值最大，上升时间最短。将上下支路主开关导通时刻的时间差设置为20 ns和22 ns时，主开关导通时刻10 ns的抖动导致负载电流峰值损失最大值分别为163 kA和136 kA，上升时间最多分别延长2.4 ns和2.9 ns。
利用FCM-PTS程序与负载动力学程序耦合模拟研究了聚龙一号装置中主开关导通时刻对Z箍缩实验中负载电流峰值和上升时间的影响。结果表明，虽然聚龙一号装置上下支路三平板传输线的单向传输时间相差20 ns，但是当上下支路主开关导通时刻的时间差为22 ns时，负载电流的峰值最大，上升时间最短。将上下支路主开关导通时刻的时间差设置为20 ns和22 ns时，主开关导通时刻10 ns的抖动导致负载电流峰值损失最大值分别为163 kA和136 kA，上升时间最多分别延长2.4 ns和2.9 ns。
2019, 31: 015002.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180280
摘要:
根据半桥LLC谐振变换器的拓扑结构，采用了一种混合控制方式，整合了电荷控制和传统频率控制两种控制方式。与目前的电荷型控制、双频率控制等常用控制方式相比，该控制方式增加的频率补偿斜坡，使得补偿器的设计十分简单，改进的线路瞬态性能可降低输出电容器值。根据基波分析法得到半桥LLC谐振变换器等效电路，确定了直流增益与品质因数、归一化频率和谐振电感与励磁电感的比值之间的关系式，并由该关系式设计出合适的谐振器件参数。通过混合控制方式与设计的LLC谐振参数搭建了一台5 kW/±85 V半桥LLC谐振变换器进行实验验证，实验结果显示，该样机动态特性良好，能够得到稳定的输出电压和具有较高的传输效率，验证了所采用的控制方法和基波分析法设计的LLC谐振参数的可行性。
根据半桥LLC谐振变换器的拓扑结构，采用了一种混合控制方式，整合了电荷控制和传统频率控制两种控制方式。与目前的电荷型控制、双频率控制等常用控制方式相比，该控制方式增加的频率补偿斜坡，使得补偿器的设计十分简单，改进的线路瞬态性能可降低输出电容器值。根据基波分析法得到半桥LLC谐振变换器等效电路，确定了直流增益与品质因数、归一化频率和谐振电感与励磁电感的比值之间的关系式，并由该关系式设计出合适的谐振器件参数。通过混合控制方式与设计的LLC谐振参数搭建了一台5 kW/±85 V半桥LLC谐振变换器进行实验验证，实验结果显示，该样机动态特性良好，能够得到稳定的输出电压和具有较高的传输效率，验证了所采用的控制方法和基波分析法设计的LLC谐振参数的可行性。
2019, 31: 015003.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180273
摘要:
A kind of planar S-type folded solid-state pulse forming line is designed using FR-4 epoxy glass fiber cloth as the dielectric material. The discharge process of the pulse forming line is analyzed theoretically and experimentally. The margin effect on its characteristic impedance is studied, and the modified characteristic impedance expression is given. The neighboring and skin effects on the pulse formation are also analyzed, which induce a super-imposition of high frequency noise on the original signal. The dependence of lifetime on the applied electric field is verified. Series-parallel and modular technology of multistage folded line is used to increase the withstanding voltage and reduce its characteristic impedance. A Blumlein line module based on series-parallel technology is designed, whose withstanding voltage of the module is greater than 120 kV, the characteristic impedance is about 7 Ω, and the pulse width is 138 ns.
A kind of planar S-type folded solid-state pulse forming line is designed using FR-4 epoxy glass fiber cloth as the dielectric material. The discharge process of the pulse forming line is analyzed theoretically and experimentally. The margin effect on its characteristic impedance is studied, and the modified characteristic impedance expression is given. The neighboring and skin effects on the pulse formation are also analyzed, which induce a super-imposition of high frequency noise on the original signal. The dependence of lifetime on the applied electric field is verified. Series-parallel and modular technology of multistage folded line is used to increase the withstanding voltage and reduce its characteristic impedance. A Blumlein line module based on series-parallel technology is designed, whose withstanding voltage of the module is greater than 120 kV, the characteristic impedance is about 7 Ω, and the pulse width is 138 ns.
2019, 31: 015004.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180309
摘要:
针对强流脉冲电子束二极管金属表面涡流引起的器件内部磁场分布不均、电子束辐照材料表面处理效果不佳等现象，提出了多板钢联接式内壁与玻璃外壁相结合的双层结构设计。基于有限元仿真软件对电子束系统的磁场与涡流进行了数值计算，分析了涡流的影响因素和涡流对于电子束源磁场的影响。通过数值计算表明，设计的新型介质壁结构能有效降低涡流对于电子束的影响。该分析为消除感应涡流对真空二极管内部磁场的影响提供了理论依据，具有良好的参考价值。
针对强流脉冲电子束二极管金属表面涡流引起的器件内部磁场分布不均、电子束辐照材料表面处理效果不佳等现象，提出了多板钢联接式内壁与玻璃外壁相结合的双层结构设计。基于有限元仿真软件对电子束系统的磁场与涡流进行了数值计算，分析了涡流的影响因素和涡流对于电子束源磁场的影响。通过数值计算表明，设计的新型介质壁结构能有效降低涡流对于电子束的影响。该分析为消除感应涡流对真空二极管内部磁场的影响提供了理论依据，具有良好的参考价值。
2019, 31: 015101.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180234
摘要:
神龙二号加速器可以产生三个脉冲宽度约80 ns(FWHM)、脉冲间隔约500 ns的X射线，为了获得每个脉冲X射线剂量，采用康普顿探测器和热释光剂量计相结合的方法进行测量。针对神龙二号加速器X射线能谱分布，采用MCNP程序优化设计康普顿探测器，测量多脉冲X射线信号，获得每个脉冲的剂量比例，应用热释光剂量计测量多脉冲X射线总剂量，由总剂量和剂量比例准确得到每个脉冲X射线剂量，实现神龙二号加速器多脉冲X射线剂量测量。
神龙二号加速器可以产生三个脉冲宽度约80 ns(FWHM)、脉冲间隔约500 ns的X射线，为了获得每个脉冲X射线剂量，采用康普顿探测器和热释光剂量计相结合的方法进行测量。针对神龙二号加速器X射线能谱分布，采用MCNP程序优化设计康普顿探测器，测量多脉冲X射线信号，获得每个脉冲的剂量比例，应用热释光剂量计测量多脉冲X射线总剂量，由总剂量和剂量比例准确得到每个脉冲X射线剂量，实现神龙二号加速器多脉冲X射线剂量测量。
2019, 31: 015102.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180198
摘要:
介绍了束流损失测量系统探测器的选型、前置放大电子学的功能、数据采集系统的硬件配置及本地站显示界面，着重介绍了本系统在加速器不同能量段的束流调试中的应用。DTL低能段成功观测到了束流损失，针对RCS段脉冲高功率设备，对本系统的干扰提出了解决方案，便于加速器调束时区分干扰与束损，针对RTBT微脉冲大信号的束损进行了积分展宽，满足数据采集系统带宽需求。
介绍了束流损失测量系统探测器的选型、前置放大电子学的功能、数据采集系统的硬件配置及本地站显示界面，着重介绍了本系统在加速器不同能量段的束流调试中的应用。DTL低能段成功观测到了束流损失，针对RCS段脉冲高功率设备，对本系统的干扰提出了解决方案，便于加速器调束时区分干扰与束损，针对RTBT微脉冲大信号的束损进行了积分展宽，满足数据采集系统带宽需求。
2019, 31: 016001.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180197
摘要:
利用Geant4程序建立外源注入式、低气压气体开关物理模型，通过模拟计算电子增益与极板间电场强度、电子增益与极板间隙距离的函数关系验证了模型的正确性。计算了气体种类、气体压强对电子增益的影响，分析得到形成自持放电所需最小入射电子数，计算结果表明：在相同的气压及电场条件下，氮气的电子增益远大于氦气，这与氦气的高电离能性质相吻合; 随气压增大，电子增益呈非线性增长; 为实现自持放电，外源注入电子数面密度为1×105~2×105 /cm2。
利用Geant4程序建立外源注入式、低气压气体开关物理模型，通过模拟计算电子增益与极板间电场强度、电子增益与极板间隙距离的函数关系验证了模型的正确性。计算了气体种类、气体压强对电子增益的影响，分析得到形成自持放电所需最小入射电子数，计算结果表明：在相同的气压及电场条件下，氮气的电子增益远大于氦气，这与氦气的高电离能性质相吻合; 随气压增大，电子增益呈非线性增长; 为实现自持放电，外源注入电子数面密度为1×105~2×105 /cm2。
2019, 31: 019001.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180364
摘要:
为获得共线双脉冲激发方式对土壤中Pb和Ba元素的谱线增强效果，研究了1064 nm单脉冲和(355 nm+ 1064 nm)，(1064 nm+355 nm)共线双脉冲三种激发方式下，谱线强度随采集延迟时间的变化规律和谱线增强倍数随双脉冲时间间隔的变化规律。研究发现，与单脉冲激发方式相比，在双脉冲激发方式下，谱线Pb I 405.78 nm和Ba I 553.55 nm强度的最大增强倍数分别为5和8。该研究结果为检测土壤中重金属元素提供了参考。
为获得共线双脉冲激发方式对土壤中Pb和Ba元素的谱线增强效果，研究了1064 nm单脉冲和(355 nm+ 1064 nm)，(1064 nm+355 nm)共线双脉冲三种激发方式下，谱线强度随采集延迟时间的变化规律和谱线增强倍数随双脉冲时间间隔的变化规律。研究发现，与单脉冲激发方式相比，在双脉冲激发方式下，谱线Pb I 405.78 nm和Ba I 553.55 nm强度的最大增强倍数分别为5和8。该研究结果为检测土壤中重金属元素提供了参考。
2019, 31: 019002.
doi: 10.11884/HPLPB201931.180293
摘要:
研制了一种适用于板状燃料堆芯的黄玉改色装置，并对辐照装置的物理安全特性及结构安全特性进行了分析。利用CFD多孔介质模型，获得了改色装置的流场和温度场，确定了功率限制因素，并对装置进行了优化，增强了中子选择材料的冷却能力，结果表明，优化后可在额定功率下进行黄玉改色试验。开展了改色装置的堆外水力学特性实验及冲刷试验，装置工作压差附近的流量试验数据与理论模拟结果差别为-3.6%~1.9%，二者一致，冲刷试验表明，装置对黄玉残渣有很强的包容、收集效果，不会导致燃料元件流道堵塞。
研制了一种适用于板状燃料堆芯的黄玉改色装置，并对辐照装置的物理安全特性及结构安全特性进行了分析。利用CFD多孔介质模型，获得了改色装置的流场和温度场，确定了功率限制因素，并对装置进行了优化，增强了中子选择材料的冷却能力，结果表明，优化后可在额定功率下进行黄玉改色试验。开展了改色装置的堆外水力学特性实验及冲刷试验，装置工作压差附近的流量试验数据与理论模拟结果差别为-3.6%~1.9%，二者一致，冲刷试验表明，装置对黄玉残渣有很强的包容、收集效果，不会导致燃料元件流道堵塞。
