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RSS2022年 34卷 第12期
推荐文章
2022, 34: 121001.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220247
2022, 34: 124001.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220322
2022, 34: 129901.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220348
2022, 34: 121001.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220247
摘要:
光纤耦合半导体激光器（LD）泵浦的光纤激光放大器具有体积小、功质比高、稳定性好等优点，在工业加工和军事国防等诸多领域都有着广泛且重要的应用。然而，受限于器件制作工艺水平及光纤中的受激拉曼效应和模式不稳定效应，LD泵浦的光纤激光放大器难以同时实现高功率及高亮度激光输出。为实现更高功率、更高亮度的光纤激光输出，需要结合现有的器件工艺水平并同时实现对放大器中的受激拉曼散射效应和模式不稳定效应的有效抑制。报道了基于单位自研大模场增益光纤成功实现13 kW功率、高光束质量激光输出。激光器采用主振荡功率放大结构，放大级采用单后向981 nm泵浦自研大模场增益光纤，在总泵浦功率为15 kW时，输出功率达到12.94 kW，光束质量M2因子约为2.85。通过进一步优化器件性能及光纤模式控制，有望实现更高功率、更高亮度的光纤激光输出。
2022, 34: 121002.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220267
摘要:
高功率窄线宽光纤激光器在非线性频率转换、光谱合成以及相干合成等领域有着重要的应用前景。本文基于自研的复合腔结构窄线宽振荡器作为种子，采用单级主振荡功率放大技术（MOPA），实现了5 kW高效率的近单模窄谱激光输出。通过优化振荡器的时序特性和放大级结构，受激拉曼散射、光谱展宽和热致模式不稳定效应得到综合抑制。在最高功率时，信号光的3 dB和20 dB线宽分别为0.48 nm和2.1 nm，放大器的斜率效率约为86.1%，拉曼抑制比为28.3 dB，光束质量M2约1.35。本研究工作对于高功率窄线宽光纤激光的发展和研究具有重要的指导意义。
2022, 34: 121003.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220159
摘要:
针对相移结构光中相位计算环节，提出了一种基于一维查找表的相位实时解码算法。首先根据相位计算公式中的反正切函数性质，得到四个象限之间的相位转化关系。基于得到的转换关系，使用线性函数将第一象限中的所有坐标点映射至某个离散整数区间中，结合该区间与线性函数提前建立相位的一维查找表。在相位计算过程中，首先利用相关信息计算一维查找表的索引，直接获取相位值，然后利用线性插值法与相位转换关系调整该相位值，得到最终的真实相位。通过实验验证了所提算法的有效性，与使用传统相位计算方法相比，本文提出的方法最快可提升3.97倍，使用线性插值后，相位精度可达\begin{document}${10^{ - 8}}$\end{document} ![]()
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针对相移结构光中相位计算环节，提出了一种基于一维查找表的相位实时解码算法。首先根据相位计算公式中的反正切函数性质，得到四个象限之间的相位转化关系。基于得到的转换关系，使用线性函数将第一象限中的所有坐标点映射至某个离散整数区间中，结合该区间与线性函数提前建立相位的一维查找表。在相位计算过程中，首先利用相关信息计算一维查找表的索引，直接获取相位值，然后利用线性插值法与相位转换关系调整该相位值，得到最终的真实相位。通过实验验证了所提算法的有效性，与使用传统相位计算方法相比，本文提出的方法最快可提升3.97倍，使用线性插值后，相位精度可达
2022, 34: 121004.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220119
摘要:
基于氟橡胶圈密封测试了熔石英真空窗口在351 nm激光辐照下的激光诱导损伤阈值（LIDT），实验发现真空窗口和氟橡胶圈紧密接触后LIDT下降约50%，氟橡胶圈经多次挤压后，其对真空窗口LIDT的影响显著减弱，在此基础上对比了大气、103 Pa和10−2～10−1 Pa下真空窗口的LIDT，结果显示随着气压降低真空窗口LIDT显著下降且气压再次升高后其LIDT未有提升。基于铟丝密封对比测试了真空窗口在不同气压下的LIDT，结果未发现气体含量差异对真空窗口LIDT的影响。对比两种密封材料测试结果，认为真空窗口LIDT下降是由氟橡胶圈污染引起，且低气压下有机物释放加剧。
基于氟橡胶圈密封测试了熔石英真空窗口在351 nm激光辐照下的激光诱导损伤阈值（LIDT），实验发现真空窗口和氟橡胶圈紧密接触后LIDT下降约50%，氟橡胶圈经多次挤压后，其对真空窗口LIDT的影响显著减弱，在此基础上对比了大气、103 Pa和10−2～10−1 Pa下真空窗口的LIDT，结果显示随着气压降低真空窗口LIDT显著下降且气压再次升高后其LIDT未有提升。基于铟丝密封对比测试了真空窗口在不同气压下的LIDT，结果未发现气体含量差异对真空窗口LIDT的影响。对比两种密封材料测试结果，认为真空窗口LIDT下降是由氟橡胶圈污染引起，且低气压下有机物释放加剧。
2022, 34: 121005.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220205
摘要:
为了解决Cr12MoV钢溶蚀、表面碎裂等问题，利用Al-Ni、Nd-Ni粉末在Cr12MoV钢上进行激光熔覆实验，研究了Al、Nd对镍基覆层的宏微观形貌、组织及表面性能的影响。结果表明：Al可以减少熔覆层裂纹的产生，同时降低覆层硬度，使熔覆层中产生具有减磨作用的硬质相Al2O3等，降低覆层磨损量，14%Al覆层磨损量比2%Al的覆层磨损量低44.5%，Al较优质量分数为14%；Nd的晶粒细化作用明显，显著提升覆层显微硬度，2.5%Nd覆层平均硬度比基体平均硬度高36.8%，Nd较优质量分数为2.5%。
为了解决Cr12MoV钢溶蚀、表面碎裂等问题，利用Al-Ni、Nd-Ni粉末在Cr12MoV钢上进行激光熔覆实验，研究了Al、Nd对镍基覆层的宏微观形貌、组织及表面性能的影响。结果表明：Al可以减少熔覆层裂纹的产生，同时降低覆层硬度，使熔覆层中产生具有减磨作用的硬质相Al2O3等，降低覆层磨损量，14%Al覆层磨损量比2%Al的覆层磨损量低44.5%，Al较优质量分数为14%；Nd的晶粒细化作用明显，显著提升覆层显微硬度，2.5%Nd覆层平均硬度比基体平均硬度高36.8%，Nd较优质量分数为2.5%。
2022, 34: 121006.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220233
摘要:
基于光束扫描法的光纤预制棒折射率测试仪主要适用于直径和长度在一定范围内的圆柱形样品折射率分布的测试。提出一种套管辅助法可实现更短长度、更细直径和变直径样品的折射率测试。该方法将待测样品居中放置于一个尺寸符合测试要求的圆柱形套管内，并在套管内注入折射率匹配油，使其没过待测样品后按常规步骤进行测试。对比实验结果表明，套管辅助法与直接测量法的偏差与仪器的测量误差相当。采用套管法，获得了预制棒拉丝终止后变径区不同位置折射率的径向分布，可为拉丝过程的研究提供参考。
基于光束扫描法的光纤预制棒折射率测试仪主要适用于直径和长度在一定范围内的圆柱形样品折射率分布的测试。提出一种套管辅助法可实现更短长度、更细直径和变直径样品的折射率测试。该方法将待测样品居中放置于一个尺寸符合测试要求的圆柱形套管内，并在套管内注入折射率匹配油，使其没过待测样品后按常规步骤进行测试。对比实验结果表明，套管辅助法与直接测量法的偏差与仪器的测量误差相当。采用套管法，获得了预制棒拉丝终止后变径区不同位置折射率的径向分布，可为拉丝过程的研究提供参考。
2022, 34: 122001.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220186
摘要:
为实现惯性约束聚变（ICF）内爆燃烧停滞阶段过程中最大压缩时刻的冷燃料面密度分布测量，设计了包含字母客体与针孔阵列的照相客体，通过同一发相同视角测量源分布与客体照相技术，首次建立了皮秒激光驱动的高能X射线源编码照相技术。通过星光III实验研究，基于W丝阵靶照相的反演图像空间分辨率5.4 μm±0.7 μm；激光到X射线（50～200 keV）的能量转换效率，W丝阵靶5.4×10−4，与传统Au单丝靶的转换效率（4.8×10−4）一致。基于源编码照相解决了传统皮秒激光背光照相中空间分辨率与光源亮度不能兼顾的困难，为强背景干扰下提供高信噪比、高分辨率的ICF靶丸压缩背光图像提供了重要照相方式。
为实现惯性约束聚变（ICF）内爆燃烧停滞阶段过程中最大压缩时刻的冷燃料面密度分布测量，设计了包含字母客体与针孔阵列的照相客体，通过同一发相同视角测量源分布与客体照相技术，首次建立了皮秒激光驱动的高能X射线源编码照相技术。通过星光III实验研究，基于W丝阵靶照相的反演图像空间分辨率5.4 μm±0.7 μm；激光到X射线（50～200 keV）的能量转换效率，W丝阵靶5.4×10−4，与传统Au单丝靶的转换效率（4.8×10−4）一致。基于源编码照相解决了传统皮秒激光背光照相中空间分辨率与光源亮度不能兼顾的困难，为强背景干扰下提供高信噪比、高分辨率的ICF靶丸压缩背光图像提供了重要照相方式。
2022, 34: 122002.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220238
摘要:
提出在条纹相机前加载异形光纤面板或环转线光纤传像束实现广角任意反射面速度干涉仪（VISAR）条纹采样的诊断设计，发现采样位置坐标处于靶面某圆上。综合运用坐标变换、傅里叶变换、勒让德展开等方法提取广角VISAR条纹相位实现内爆对称性分析，并通过示例验证了其可行性。针对诊断方法的特点、光路设计、装置研发、数据处理等展开讨论，指出广角VISAR诊断内爆对称性的发展方向。运用该方法记录并分析广角VISAR条纹数据，可使靶丸内爆对称性诊断准确、直观、形象，能为惯性约束聚变中激光等离子体不稳定性、流体不稳定性等研究提供支撑。
提出在条纹相机前加载异形光纤面板或环转线光纤传像束实现广角任意反射面速度干涉仪（VISAR）条纹采样的诊断设计，发现采样位置坐标处于靶面某圆上。综合运用坐标变换、傅里叶变换、勒让德展开等方法提取广角VISAR条纹相位实现内爆对称性分析，并通过示例验证了其可行性。针对诊断方法的特点、光路设计、装置研发、数据处理等展开讨论，指出广角VISAR诊断内爆对称性的发展方向。运用该方法记录并分析广角VISAR条纹数据，可使靶丸内爆对称性诊断准确、直观、形象，能为惯性约束聚变中激光等离子体不稳定性、流体不稳定性等研究提供支撑。
2022, 34: 122003.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220199
摘要:
为了在百kJ高功率激光装置上建立D3He质子照相平台，采用一维辐射流体程序Helios-CR对D3He爆推靶质子产生进行了模拟，综合考虑多种因素给出在百千焦高功率激光装置上开展质子照相所需要的激光和靶球建议参数。结合激光装置现有条件，分析了在1015 W/cm2左右激光强度下D3He质子产额随靶球半径、激光强度、充气压力和SiO2球壳厚度等参数的变化规律，给出了靶球半径300 μm，内充D3He气体压强1.8 MPa，SiO2球壳厚度3.5 μm左右等优化参数，预计此条件下D3He质子产额可达109～1010。通过模拟得到的质子产额变化规律，为质子照相平台的正式建立和实验参数选取提供了参考。
为了在百kJ高功率激光装置上建立D3He质子照相平台，采用一维辐射流体程序Helios-CR对D3He爆推靶质子产生进行了模拟，综合考虑多种因素给出在百千焦高功率激光装置上开展质子照相所需要的激光和靶球建议参数。结合激光装置现有条件，分析了在1015 W/cm2左右激光强度下D3He质子产额随靶球半径、激光强度、充气压力和SiO2球壳厚度等参数的变化规律，给出了靶球半径300 μm，内充D3He气体压强1.8 MPa，SiO2球壳厚度3.5 μm左右等优化参数，预计此条件下D3He质子产额可达109～1010。通过模拟得到的质子产额变化规律，为质子照相平台的正式建立和实验参数选取提供了参考。
2022, 34: 122004.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220327
摘要:
In this paper, a transmission curved crystal spectrometer is developed . The transmission curved crystal spectrometer employs a quartz crystal with radius of 200 mm covering the measuring range of 8 keV to 60 keV. We have applied the spectrometer to measure X-ray sources driven by picosecond laser both at XG-III and the SGII-Updated laser facility. The characteristic Kα and Kβ line emissions from Cu, Mo, Ag, and Zr were measured. Specifically, the L-shell emissions from Au targets irradiated by the picosecond lasers with different pulse duration were compared. The spectra show good signal-to-noise ratio, which indicates the spectrometer is suitable for the diagnostic of picosecond laser produced X-ray sources.
2022, 34: 122005.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220288
摘要:
间接驱动惯性约束聚变真空或者近真空黑腔实验中，纳秒激光烧蚀产生的腔壁等离子体可以在靶丸烧蚀等离子体（或低密度填充气体）中驱动无碰撞静电冲击波，冲击波电场会以二倍冲击波速度反射离子。为了测量纳秒激光驱动非相对论无碰撞静电冲击波产生的10 keV量级的反射离子能谱，设计了低能汤姆逊离子谱仪。利用Geant4建模，对离子测量过程进行了全过程蒙特卡罗模拟，用以评估靶室残余气体和喷气气体对低能离子测量的影响。模拟结果显示，靶室残余气体会造成10 keV量级D离子信号在谱仪电场和磁场方向展宽。电场方向的展宽会增加不同荷质比离子谱线发生交叠的风险，而磁场方向的展宽会导致离子能谱展宽。喷气气体会造成离子信号向低能区移动并拖尾，导致测量的离子谱偏离真实的反射离子能谱。
间接驱动惯性约束聚变真空或者近真空黑腔实验中，纳秒激光烧蚀产生的腔壁等离子体可以在靶丸烧蚀等离子体（或低密度填充气体）中驱动无碰撞静电冲击波，冲击波电场会以二倍冲击波速度反射离子。为了测量纳秒激光驱动非相对论无碰撞静电冲击波产生的10 keV量级的反射离子能谱，设计了低能汤姆逊离子谱仪。利用Geant4建模，对离子测量过程进行了全过程蒙特卡罗模拟，用以评估靶室残余气体和喷气气体对低能离子测量的影响。模拟结果显示，靶室残余气体会造成10 keV量级D离子信号在谱仪电场和磁场方向展宽。电场方向的展宽会增加不同荷质比离子谱线发生交叠的风险，而磁场方向的展宽会导致离子能谱展宽。喷气气体会造成离子信号向低能区移动并拖尾，导致测量的离子谱偏离真实的反射离子能谱。
2022, 34: 123001.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220172
摘要:
弓网离线放电电磁辐射具有瞬态、宽频带的特性，可使用D-dot传感器对其进行时域瞬态电场测量，但在对传感器所测微分信号积分还原时，存在信号恢复失真问题严重。搭建了包含脉冲电场发生装置和测量装置的瞬态电场时域波形还原系统，开展了基于D-dot传感器的去直流、数值积分、消除趋势项以及系统辨识低频补偿在内的瞬态电场时域波形测试方法的研究，利用该方法测试了不同电压下弓网离线放电电磁辐射的电场时域波形。理论与实验结果表明：本文所提出的方法能准确、稳定地还原弓网离线放电所辐射瞬态电场的原始时域波形，还原信号与实测微分信号的主要频率分量均在7.5 MHz，二者的相关系数达到93%以上。
弓网离线放电电磁辐射具有瞬态、宽频带的特性，可使用D-dot传感器对其进行时域瞬态电场测量，但在对传感器所测微分信号积分还原时，存在信号恢复失真问题严重。搭建了包含脉冲电场发生装置和测量装置的瞬态电场时域波形还原系统，开展了基于D-dot传感器的去直流、数值积分、消除趋势项以及系统辨识低频补偿在内的瞬态电场时域波形测试方法的研究，利用该方法测试了不同电压下弓网离线放电电磁辐射的电场时域波形。理论与实验结果表明：本文所提出的方法能准确、稳定地还原弓网离线放电所辐射瞬态电场的原始时域波形，还原信号与实测微分信号的主要频率分量均在7.5 MHz，二者的相关系数达到93%以上。
2022, 34: 123002.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220219
摘要:
提出了一种特定增益和相位补偿的反射式宽带线性化器设计方法，并通过此方法设计了一种补偿固态功率放大器失真特性的预失真电路。利用肖特基二极管产生非线性补偿，根据电路拓扑结构，利用matlab优化工具找到单频点处特定增益补偿和相位补偿特性的并联负载值，改变频点，并重复上述步骤，可进一步得到特定增益和相位补偿所需的并联负载随频率的变化关系（即ZL～f曲线）。利用ADS仿真软件优化设计使二极管后端阻抗随频率的变化逼近ZL-f曲线。仿真的电路增益补偿和相位补偿分别为6 dB和−40°。最终实测频率范围为9.4～11.4 GHz，增益扩张在3.9～4.4 dB，相位补偿在−32.3°～−41.5°，频带特性良好，并且相对带宽达到了19.2%。通过改变二极管直流偏置电压，还实现了补偿曲线的斜率可调。
提出了一种特定增益和相位补偿的反射式宽带线性化器设计方法，并通过此方法设计了一种补偿固态功率放大器失真特性的预失真电路。利用肖特基二极管产生非线性补偿，根据电路拓扑结构，利用matlab优化工具找到单频点处特定增益补偿和相位补偿特性的并联负载值，改变频点，并重复上述步骤，可进一步得到特定增益和相位补偿所需的并联负载随频率的变化关系（即ZL～f曲线）。利用ADS仿真软件优化设计使二极管后端阻抗随频率的变化逼近ZL-f曲线。仿真的电路增益补偿和相位补偿分别为6 dB和−40°。最终实测频率范围为9.4～11.4 GHz，增益扩张在3.9～4.4 dB，相位补偿在−32.3°～−41.5°，频带特性良好，并且相对带宽达到了19.2%。通过改变二极管直流偏置电压，还实现了补偿曲线的斜率可调。
2022, 34: 123003.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220094
摘要:
结合传统有界波模拟器和辐射波模拟器的特点，采用新型双锥-线栅型平板天线结构，设计了一台水平极化有界波电磁脉冲模拟器。通过电磁仿真和实验测试，对模拟器的辐射特性和场均匀性进行了研究。仿真结果和实测结果基本一致。结果表明，模拟器能产生包含地面反射的水平极化电磁脉冲环境，波形满足上升沿(2.5±0.5) ns、半高宽(23±5) ns的高空电磁脉冲标准要求。模拟器使用灵活机动，能在不小于5 m×3 m×2 m工作空间内产生峰值场强不小于50 kV/m的6 dB均匀场，也能在降低测试场强时提供更大的工作空间。
结合传统有界波模拟器和辐射波模拟器的特点，采用新型双锥-线栅型平板天线结构，设计了一台水平极化有界波电磁脉冲模拟器。通过电磁仿真和实验测试，对模拟器的辐射特性和场均匀性进行了研究。仿真结果和实测结果基本一致。结果表明，模拟器能产生包含地面反射的水平极化电磁脉冲环境，波形满足上升沿(2.5±0.5) ns、半高宽(23±5) ns的高空电磁脉冲标准要求。模拟器使用灵活机动，能在不小于5 m×3 m×2 m工作空间内产生峰值场强不小于50 kV/m的6 dB均匀场，也能在降低测试场强时提供更大的工作空间。
2022, 34: 123004.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220241
摘要:
首次设计实现了一款能同时工作在L/S/C/X四个频段的高隔离共口径低剖面微带天线。整体结构通过依次按照频率从低至高的顺序自下而上将4个频段的微带天线堆叠而成，采用同轴探针穿过低频辐射贴片形成过孔给高频天线馈电，同时将低频天线作为其上层高频天线的地，以提高天线指标与性能。其中L/S/C波段的辐射贴片采用在矩形辐射贴片四周添加枝节的方式，更利于阻抗调节；X波段置于最顶层，通过对矩形贴片进行开槽处理，避免了对其它频段的辐射遮挡；通过采用中和线去耦合及正交馈电的方法，最终实现了4个频段内增益分别为6.85，7.48，6.13，6.62 dBi；各端口之间隔离均大于30 dB；天线尺寸为85 mm×85 mm×9.07 mm；通过实物加工，测试与仿真结果吻合良好，验证了设计的有效性和可靠性。
首次设计实现了一款能同时工作在L/S/C/X四个频段的高隔离共口径低剖面微带天线。整体结构通过依次按照频率从低至高的顺序自下而上将4个频段的微带天线堆叠而成，采用同轴探针穿过低频辐射贴片形成过孔给高频天线馈电，同时将低频天线作为其上层高频天线的地，以提高天线指标与性能。其中L/S/C波段的辐射贴片采用在矩形辐射贴片四周添加枝节的方式，更利于阻抗调节；X波段置于最顶层，通过对矩形贴片进行开槽处理，避免了对其它频段的辐射遮挡；通过采用中和线去耦合及正交馈电的方法，最终实现了4个频段内增益分别为6.85，7.48，6.13，6.62 dBi；各端口之间隔离均大于30 dB；天线尺寸为85 mm×85 mm×9.07 mm；通过实物加工，测试与仿真结果吻合良好，验证了设计的有效性和可靠性。
2022, 34: 124001.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220322
摘要:
报道了基于光阴极S波段电子直线加速器建成的9 MeV高能微焦点射线成像系统“精卫”，X射线束横向尺寸小于100 μm，7 h剂量波动低至1.6%。初步开展成像实验结果表明：双丝像质计清晰分辨13D号丝，丝直径0.05 mm，CT测试卡测得空间分辨率优于10 lp/mm，装置同时兼容电子束能量6～18 MeV可调。
2022, 34: 124002.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220180
摘要:
对三种常用结构的270°偏转磁铁进行系统的分析研究，采用数值计算和模拟方法对双磁铁不对称偏转结构、三块90°磁铁偏转结构和70°+130°+70°偏转结构这三种不同的270°偏转磁铁系统进行模拟，给出偏转系统的消色散传输条件，并且分析了束流包络在偏转系统和出口管道中的变化情况。经过分析对比，详细列出了三种结构的优势与劣势。双磁铁不对称结构适用于医用加速器，三块90°磁铁偏转结构适用于需要在出口长距离漂移的辐照加速器，而70°+130°+70°偏转结构可以满足出口一定距离的无损漂移，同时实现相对较低的成本，是工业辐照加速器较为经济适宜的选择。
对三种常用结构的270°偏转磁铁进行系统的分析研究，采用数值计算和模拟方法对双磁铁不对称偏转结构、三块90°磁铁偏转结构和70°+130°+70°偏转结构这三种不同的270°偏转磁铁系统进行模拟，给出偏转系统的消色散传输条件，并且分析了束流包络在偏转系统和出口管道中的变化情况。经过分析对比，详细列出了三种结构的优势与劣势。双磁铁不对称结构适用于医用加速器，三块90°磁铁偏转结构适用于需要在出口长距离漂移的辐照加速器，而70°+130°+70°偏转结构可以满足出口一定距离的无损漂移，同时实现相对较低的成本，是工业辐照加速器较为经济适宜的选择。
2022, 34: 124003.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220195
摘要:
为了拓展静力水准系统（HLS）在粒子加速器准直测量工作中的应用，开展了针对HLS系统用于多点间基于水平面的基准高差测量的实现方法的研究。基于传感器工作原理，设计并搭建了一套由双频激光干涉仪、高精度位移平台、HLS传感器等组成的比对系统，利用该系统控制多传感器在同一坐标系下观测同一液位。通过比对获得多传感器间基于底部坐标系的零位高度差，实现了多个传感器坐标系间相对于水平面的高差值测量，并验证了高差测量精度优于5 μm。除此之外，通过在HLS传感器上方安装靶座，使用三坐标测量机(CMM)严格标定各传感器电极板至靶球球心的距离，实现了多靶球球心位置基于水平面的高差值测量，并验证了其测量精度优于30 μm。
为了拓展静力水准系统（HLS）在粒子加速器准直测量工作中的应用，开展了针对HLS系统用于多点间基于水平面的基准高差测量的实现方法的研究。基于传感器工作原理，设计并搭建了一套由双频激光干涉仪、高精度位移平台、HLS传感器等组成的比对系统，利用该系统控制多传感器在同一坐标系下观测同一液位。通过比对获得多传感器间基于底部坐标系的零位高度差，实现了多个传感器坐标系间相对于水平面的高差值测量，并验证了高差测量精度优于5 μm。除此之外，通过在HLS传感器上方安装靶座，使用三坐标测量机(CMM)严格标定各传感器电极板至靶球球心的距离，实现了多靶球球心位置基于水平面的高差值测量，并验证了其测量精度优于30 μm。
2022, 34: 124004.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220123
摘要:
模拟研究了非理想氢原子束在真空环境下的长程传输效应。根据中性化程度的不同，将非理想束分为欠中性束和过中性束。通过建立束流传输的准电磁模型，研究了束流密度、中性化因子、空间磁场和弹性散射等因素对非理想氢原子束的影响。结果表明：对于欠中性束，负氢离子的存在对氢原子的传输几乎没有影响，因此欠中性束的发射装置可以考虑去除偏置磁场，以减小设备体积和质量；对于过中性束，束流损失率与束流密度和中性化因子有关，即束流密度越大，束流损失越大；中性化因子越高，束流损失就越高；而无论是欠中性束还是过中性束，空间磁场和粒子间的弹性散射对其传输都没有影响。
模拟研究了非理想氢原子束在真空环境下的长程传输效应。根据中性化程度的不同，将非理想束分为欠中性束和过中性束。通过建立束流传输的准电磁模型，研究了束流密度、中性化因子、空间磁场和弹性散射等因素对非理想氢原子束的影响。结果表明：对于欠中性束，负氢离子的存在对氢原子的传输几乎没有影响，因此欠中性束的发射装置可以考虑去除偏置磁场，以减小设备体积和质量；对于过中性束，束流损失率与束流密度和中性化因子有关，即束流密度越大，束流损失越大；中性化因子越高，束流损失就越高；而无论是欠中性束还是过中性束，空间磁场和粒子间的弹性散射对其传输都没有影响。
2022, 34: 125001.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220213
摘要:
为了有效抑制聚四氟乙烯(PTFE)材料表面电荷积聚、进一步提升其沿面耐压性能，采用射频产生氮等离子体对其表面进行等离子体浸没离子注入。注入过程中改变射频功率、脉宽、脉冲幅值等参数实现对PTFE样品表面的不同改性效果。通过测试其注入前后的X射线光电子能谱、表面形貌、表面电阻率、表面电位衰减特性、表面陷阱能级及其密度分布，较为系统地研究了不同注入参数对聚四氟乙烯样品表面成分、表面电荷积聚和消散特性的影响。结果表明：注入过程中，氮离子主要通过自身动能促使聚四氟乙烯材料表面分子结构发生破裂和重组来实现表面改性而并非通过化学反应引入新成分，注入氮离子的动能以及数量是决定表面改性效果的主要因素。随着射频源功率增加，射频源对氮气利用效率得到提升，其处理效果饱和点由100 W射频功率下的20 cm3/min升至400 W射频功率下的30 cm3/min，相应表面电阻率由100 W-10 cm3/min条件下的最大值\begin{document}$ 3.3\times {10}^{16}\;\mathrm{\Omega }/\mathrm{m}{\mathrm{m}}^{2} $\end{document} ![]()
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\begin{document}$ 1\times {10}^{15}\;\mathrm{\Omega }/\mathrm{m}{\mathrm{m}}^{2} $\end{document} ![]()
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为了有效抑制聚四氟乙烯(PTFE)材料表面电荷积聚、进一步提升其沿面耐压性能，采用射频产生氮等离子体对其表面进行等离子体浸没离子注入。注入过程中改变射频功率、脉宽、脉冲幅值等参数实现对PTFE样品表面的不同改性效果。通过测试其注入前后的X射线光电子能谱、表面形貌、表面电阻率、表面电位衰减特性、表面陷阱能级及其密度分布，较为系统地研究了不同注入参数对聚四氟乙烯样品表面成分、表面电荷积聚和消散特性的影响。结果表明：注入过程中，氮离子主要通过自身动能促使聚四氟乙烯材料表面分子结构发生破裂和重组来实现表面改性而并非通过化学反应引入新成分，注入氮离子的动能以及数量是决定表面改性效果的主要因素。随着射频源功率增加，射频源对氮气利用效率得到提升，其处理效果饱和点由100 W射频功率下的20 cm3/min升至400 W射频功率下的30 cm3/min，相应表面电阻率由100 W-10 cm3/min条件下的最大值
2022, 34: 125002.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220128
摘要:
基于50级模块串联的LTD单路样机，开展了开关自放电故障耦合影响实验，获得了开路和短路负载下、不同位置LTD模块内单只开关自放电对其余LTD模块的电压耦合影响规律。结果表明，两种负载条件下，LTD模块内单只开关自放电时在其余模块内耦合的电压幅度均较低，且LTD距离越远电压幅度越低。在±83 kV的单只开关自放电电压下其相邻模块内耦合的最大电压幅度约2.43 kV（对应电压波动约3%）。
基于50级模块串联的LTD单路样机，开展了开关自放电故障耦合影响实验，获得了开路和短路负载下、不同位置LTD模块内单只开关自放电对其余LTD模块的电压耦合影响规律。结果表明，两种负载条件下，LTD模块内单只开关自放电时在其余模块内耦合的电压幅度均较低，且LTD距离越远电压幅度越低。在±83 kV的单只开关自放电电压下其相邻模块内耦合的最大电压幅度约2.43 kV（对应电压波动约3%）。
2022, 34: 125003.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220284
摘要:
空间环境地面模拟装置是哈尔滨工业大学承建的国家重大科技基础设施项目，其包含的空间等离子体环境模拟与研究系统是用于提供磁重联过程等基本物理过程的时空演化规律研究的平台。在研究地球磁尾三维磁重联时，使用处于真空环境内的偶极磁场线圈和两个磁镜场线圈来提供研究所需的模拟背景磁场，其中偶极场线圈为一个总电感为17.4 mH、总电阻为30.25 mΩ的单个线圈，而磁镜场线圈为两个线圈镜像对称设置并串联连接，总电感30.16 mH，总电阻58.81 mΩ。为了产生实验所需背景磁场的幅值和持续时间，研制并测试了两套总能量3.36 MJ的脉冲电源，在进行地球磁尾三维磁重联实验时两套电源需要同时工作。用于驱动偶极场线圈的脉冲电源按照实验需求可以在充电压不大于20 kV的情况下，能够提供超过9 kA的峰值电流，95%峰值电流的持续时间超过了5 ms，由峰值时刻降低到10%峰值时刻的时间不超过130 ms；用于驱动磁镜场线圈的脉冲电源按照实验需求可以在充电压不大于20 kV的情况下，能够提供超过8 kA峰的值电流，95%峰值电流的持续时间超过了5 ms，由峰值时刻降低到10%峰值时刻的时间不超过130 ms。
空间环境地面模拟装置是哈尔滨工业大学承建的国家重大科技基础设施项目，其包含的空间等离子体环境模拟与研究系统是用于提供磁重联过程等基本物理过程的时空演化规律研究的平台。在研究地球磁尾三维磁重联时，使用处于真空环境内的偶极磁场线圈和两个磁镜场线圈来提供研究所需的模拟背景磁场，其中偶极场线圈为一个总电感为17.4 mH、总电阻为30.25 mΩ的单个线圈，而磁镜场线圈为两个线圈镜像对称设置并串联连接，总电感30.16 mH，总电阻58.81 mΩ。为了产生实验所需背景磁场的幅值和持续时间，研制并测试了两套总能量3.36 MJ的脉冲电源，在进行地球磁尾三维磁重联实验时两套电源需要同时工作。用于驱动偶极场线圈的脉冲电源按照实验需求可以在充电压不大于20 kV的情况下，能够提供超过9 kA的峰值电流，95%峰值电流的持续时间超过了5 ms，由峰值时刻降低到10%峰值时刻的时间不超过130 ms；用于驱动磁镜场线圈的脉冲电源按照实验需求可以在充电压不大于20 kV的情况下，能够提供超过8 kA峰的值电流，95%峰值电流的持续时间超过了5 ms，由峰值时刻降低到10%峰值时刻的时间不超过130 ms。
2022, 34: 126001.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220156
摘要:
热管冷却反应堆采用固态反应堆设计理念，具有功率密度高、结构紧凑、固有安全性高等特点，在深空探索、深海勘探、偏远地区等场景中具有广阔的应用前景。核燃料作为热管冷却反应堆的重要组成部分，不同类型核燃料在堆芯燃耗分析时会呈现不同的中子学性能。基于美国爱达荷国家实验室(INL)提出的热管冷却反应堆INL Design A，利用清华大学蒙特卡罗中子输运程序RMC (Reactor Monte Carlo code)建立堆芯物理模型，选取UO2，(U0.9Pu0.1)O2，U-10Zr，U-8Pu-10Zr，UN，UC这6种核燃料开展燃耗计算，分析了不同核燃料、不同功率水平对热管冷却反应堆堆芯燃耗性能的影响。计算结果表明：在堆芯燃耗深度相同情况下(20.8 GW·d·t−1)，装载U-8Pu-10Zr燃料的堆芯所需235U富集度最低(9.8%)，具有较好的U-Pu增殖性能。堆芯功率处于5 MW的热管冷却反应堆，燃料中241Pu的存在不仅没起到增大堆芯燃耗深度的作用，反而导致堆芯剩余反应性和堆芯寿期末次锕系核素(MAs)的产量增大，影响反应堆的安全性与经济性。因此，对于装载含有Pu燃料的小功率长寿期热管冷却反应堆，需重点关注241Pu对堆芯燃耗性能的影响。
热管冷却反应堆采用固态反应堆设计理念，具有功率密度高、结构紧凑、固有安全性高等特点，在深空探索、深海勘探、偏远地区等场景中具有广阔的应用前景。核燃料作为热管冷却反应堆的重要组成部分，不同类型核燃料在堆芯燃耗分析时会呈现不同的中子学性能。基于美国爱达荷国家实验室(INL)提出的热管冷却反应堆INL Design A，利用清华大学蒙特卡罗中子输运程序RMC (Reactor Monte Carlo code)建立堆芯物理模型，选取UO2，(U0.9Pu0.1)O2，U-10Zr，U-8Pu-10Zr，UN，UC这6种核燃料开展燃耗计算，分析了不同核燃料、不同功率水平对热管冷却反应堆堆芯燃耗性能的影响。计算结果表明：在堆芯燃耗深度相同情况下(20.8 GW·d·t−1)，装载U-8Pu-10Zr燃料的堆芯所需235U富集度最低(9.8%)，具有较好的U-Pu增殖性能。堆芯功率处于5 MW的热管冷却反应堆，燃料中241Pu的存在不仅没起到增大堆芯燃耗深度的作用，反而导致堆芯剩余反应性和堆芯寿期末次锕系核素(MAs)的产量增大，影响反应堆的安全性与经济性。因此，对于装载含有Pu燃料的小功率长寿期热管冷却反应堆，需重点关注241Pu对堆芯燃耗性能的影响。
2022, 34: 126002.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220192
摘要:
为了研究钨在瞬态热流下达到熔融状态后，不同脉冲参数对其熔融重凝行为的影响，实验观察了钨在脉宽5 ms与0.1 ms的脉冲辐照下熔融重凝行为的特征，并考虑熔融层流动驱动力、冷却速率、温度梯度等多项因素，分析了分层结构与柱状晶对热源参数的依赖性。通过计算两种热源参数下的热作用特性分析了钨在脉宽0.1 ms的脉冲辐照下出现柱状晶而在脉宽5 ms的脉冲辐照下未出现的原因。研究发现，高流强和短脉宽的脉冲束流易于促进形成分层结构，其原因是较高流强能引起材料表层熔化层流动，同时较短脉宽能使熔化层流痕来不及恢复平整，而被快速冷却固化；当样品在瞬态热流下发生熔化时，较短的脉宽有利于形成柱状晶，较长的脉宽有利于形成等轴晶粒和出现晶粒长大。
为了研究钨在瞬态热流下达到熔融状态后，不同脉冲参数对其熔融重凝行为的影响，实验观察了钨在脉宽5 ms与0.1 ms的脉冲辐照下熔融重凝行为的特征，并考虑熔融层流动驱动力、冷却速率、温度梯度等多项因素，分析了分层结构与柱状晶对热源参数的依赖性。通过计算两种热源参数下的热作用特性分析了钨在脉宽0.1 ms的脉冲辐照下出现柱状晶而在脉宽5 ms的脉冲辐照下未出现的原因。研究发现，高流强和短脉宽的脉冲束流易于促进形成分层结构，其原因是较高流强能引起材料表层熔化层流动，同时较短脉宽能使熔化层流痕来不及恢复平整，而被快速冷却固化；当样品在瞬态热流下发生熔化时，较短的脉宽有利于形成柱状晶，较长的脉宽有利于形成等轴晶粒和出现晶粒长大。
2022, 34: 129001.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220086
摘要:
在多景深场景下，已知目标物类型，当目标物位于图像中心位置时，传统的聚焦评价函数曲线灵敏度较低；当目标物偏离中心位置时，聚焦评价函数曲线容易出现局部极大值或无法准确判断出准焦图像，影响自动聚焦系统。针对这两种情况，提出了一种基于U-Net神经网络判断目标物位置，设定对应窗口和评价函数的方法，即当目标物位于图像中心位置时，提出了一种新的聚焦评价函数——SMD-Roberts函数；当目标物不在图像中心位置时，设定对应窗口，选择SML评价函数对图像像质进行评价。实验结果表明，与传统的灰度梯度自动聚焦评价函数和传统的取窗法相比，该方法得到的聚焦评价函数灵敏度最少提高0.0241，耗时最少减少0.0355 s，单峰最少减少1个次峰，有效地解决了多景深场景下，应用聚焦评价函数判断目标物最清晰位置不准确及聚焦评价函数曲线出现双峰的问题，明显地提高了评价函数的无偏性、单峰性以及灵敏度。该方法普适性强，更适用于自动聚焦系统。
在多景深场景下，已知目标物类型，当目标物位于图像中心位置时，传统的聚焦评价函数曲线灵敏度较低；当目标物偏离中心位置时，聚焦评价函数曲线容易出现局部极大值或无法准确判断出准焦图像，影响自动聚焦系统。针对这两种情况，提出了一种基于U-Net神经网络判断目标物位置，设定对应窗口和评价函数的方法，即当目标物位于图像中心位置时，提出了一种新的聚焦评价函数——SMD-Roberts函数；当目标物不在图像中心位置时，设定对应窗口，选择SML评价函数对图像像质进行评价。实验结果表明，与传统的灰度梯度自动聚焦评价函数和传统的取窗法相比，该方法得到的聚焦评价函数灵敏度最少提高0.0241，耗时最少减少0.0355 s，单峰最少减少1个次峰，有效地解决了多景深场景下，应用聚焦评价函数判断目标物最清晰位置不准确及聚焦评价函数曲线出现双峰的问题，明显地提高了评价函数的无偏性、单峰性以及灵敏度。该方法普适性强，更适用于自动聚焦系统。
