Email alert
RSS2022年 34卷 第8期
高功率高光束质量光纤激光器在工业加工等领域有着广泛的应用，然而光纤中的非线性效应和模式不稳定效应限制着高光束质量光纤激光器的功率提升，采用新型结构大模场增益光纤在同时抑制非线性效应和模式不稳定效应方面具有较大潜力。报道了基于单位自研的纺锤形渐变掺镱光纤激光成功实现6 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，放大级采用双向981 nm泵浦纺锤形渐变掺镱光纤，在总泵浦功率为7.68 kW时，输出功率达到6.02 kW，光束质量M2因子约为1.9。通过进一步优化纺锤形掺镱光纤制作工艺及结构参数，有望实现更高功率、近单模光束质量的光纤激光输出。
总结了激光辐射条件下脉冲压缩光栅的激光诱导损伤机理，探究了表面形貌、加工方式、结构缺陷以及表面污染等因素对光栅损伤造成的影响，从微观损伤机理的角度阐释了产生损伤的内在原因。在脉冲压缩光栅的激光预处理、加工工艺及表面污染物的去除等方面，分析了实现光栅损伤阈值提升的内在因素，给出了提升光栅损伤阈值的技术措施。根据影响光栅损伤阈值的因素，提出在光栅运行过程中采用多种措施组合的方式来提升光栅的激光诱导损伤阈值。脉冲压缩光栅激光损伤机理和阈值的研究对脉冲压缩光栅系统的稳定运行具有实践意义，为激光装置高能量密度的输出奠定基础。最后，提出了光栅激光诱导损伤研究的科学与技术问题，为脉冲压缩光栅激光诱导损伤阈值的提升提供新的思路，服务于重大科学装置和重要技术领域的发展。
流动的无支撑液体薄膜在各个领域有着广泛应用。超强激光作用在这样的薄膜上，可产生涵盖太赫兹到伽马射线的高亮度次级辐射及高能的离子，并具有高重频、低成本、可连续工作等显著优势。概述了液体薄膜靶的制备和表征方法，阐明了液体薄膜靶相对于传统靶材的特性和优势，并对其在激光驱动辐射源和激光离子加速中的应用做出了总结和展望。
报道了高功率、高光束质量的垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)侧泵的Nd:YAG激光振荡器。从VCSEL泵浦源的主动冷却的热沉结构出发，设计了5个227 W的VCSEL线阵，并且通过优化侧面泵浦大口径激光棒的结构，研制成了具备480 W输出能力的棒状激光模块，相应的光-光效率为49.7%。在此基础上，设计了一种高功率、高光束质量的VCSEL侧面泵浦棒状Nd:YAG激光振荡器。腔内插入望远镜光学元件，并通过优化各光学元件的参数使其工作在热近非稳区域，以达到增大基横模体积和抑制高阶横模目的。最终，获得114 W的输出功率，相应的平均光束质量因子M2为1.42。由于VCSEL具备优秀的波长-温度稳定性，这种高功率、高光束质量的VCSEL泵浦的固体激光器在工业、空间等领域，具有极为广阔的应用前景。
为解决气液分离问题，提出了粒径可控离心分离的设想，即通过某种雾化技术产生粒径可控的液滴，然后根据液滴的粒径确定气液分离所需要的离心力，在高速旋转的叶片所产生的离心力作用下液滴一边与气流发生反应一边完成气液分离。为验证这一思想，搭建了一台旋流喷雾式单重态氧发生器（TFA-SOG），并通过计算流体力学模拟和实验对这台TFA-SOG进行了研究。研究结果表明，模拟的气液分离效率与实验的相一致，粒径可控离心分离的设想是可行的。
光学元件损伤是限制激光通量水平提高的重要因素之一。为快速、准确地检测光学元件损伤是否产生，支撑光学元件循环修复策略的使用，研究并提出了基于声发射技术的光学元件损伤检测方法，通过研究光学元件损伤产生的声发射信号特征，判断光学元件是否发生损伤，使用一种基于二次相关和相关峰精确插值（FICP）的时延估计算法，通过仿真验证了该算法的可行性，结合时差定位原理建立了损伤位置求解方法，并通过实验进行了验证。研究结果表明：该方法能从监测信号中快速地获得损伤的位置估计，其平均定位误差为8.61 mm，计算时间为0.143 s/次，对大口径光学元件的损伤在线监测具有应用潜力。
在侦查探测、激光通讯等领域，光电跟踪系统的闭环精度是其重要技术指标之一。为了提高闭环精度，一般可使用图像稳定技术，惯性稳定技术或整体自稳定技术。惯性稳定技术因其良好的稳定效果，已在光电跟踪系统中得到广泛应用。采用对比分析的方法对光电跟踪系统中的机架惯性稳定、反射镜惯性稳定以及惯性基准光稳定技术进行了原理分析，优势比较以及发展展望，总结出多种惯性稳定技术交叉使用的复合轴惯性稳定仍是未来一段时间的发展趋势。
围绕内爆压缩及阻滞阶段相关物理实验的诊断需求，提出了一种满足阿贝正弦条件的短焦距高放大倍率Wolter-Ⅲ型X射线显微镜的光学设计。详细介绍了Wolter-Ⅲ型显微镜的结构特点和设计方法，与Wolter-Ⅰ型相比可以通过将主平面向靠近物点方向移动的方式减小系统焦距，从而获得更大的放大倍数，实现显微镜与探测器的像质匹配，提高诊断系统的空间分辨。由光线追迹可以得出，在±190 μm的视场范围内，空间分辨率优于3 μm；在±240 μm范围内分辨率优于5 μm；在±300 μm范围内分辨率优于8 μm，几何集光立体角约为5×10−6 sr。
针对抛光粉沉降特性数值计算这一超大规模非线性问题，基于Kahan线性化解决了超大规模流固耦合计算问题。研究了以羟基铁粉和硅油为主要成分组合而成的抛光粉多相流在梯度磁场下抛光区域的沉降特性。以质量分数70%、粒径5 µm的羟基铁粉和粘度为0.973 Pa·s的硅油组合而成的抛光粉为研究对象，实现了不同的抛光轮转速、不同嵌入深度以及不同羰基铁粉质量分数情况下的沉降规律分析。结果发现：磁流变抛光区域的抛光粉会随着抛光轮转速的增大而增多；当到达出口时，抛光粉的分布趋于稳定状态；抛光粉会随着嵌入深度的增加而增多并存在饱和区；羟基铁粉的质量分数以非线性的方式影响沉降能力。
针对双模扰动下的烧蚀瑞利-泰勒不稳定性增长问题，采用高精度的数值计算方法，研究了不同预热程度下模耦合产生的多个高次谐波幅值的发展和演化问题。研究表明，三种预热烧蚀条件下，当扰动基模满足长波与短波耦合方式时，谐波中的长波模态占主导，而短波模发展明显受到抑制；当满足短波与短波耦合时，耦合结果带来了许多新的增长较快的长波模态，此时短波模增长呈现小幅震荡形式。比较两种耦合方式可以发现，长波结构在烧蚀瑞利-泰勒不稳定性弱非线性阶段都占主导地位，尤其是短波与短波耦合中气泡与尖钉表现出不同于两个基模的长波模结构。进一步分析预热效应对模耦合增长的影响，发现预热程度越强就越能削弱耦合谐波的增长，这说明预热对烧蚀瑞利-泰勒不稳定性具有致稳作用，这对惯性约束聚变工程中控制烧蚀瑞利-泰勒不稳定性发展具有重要意义。
平面反射阵列天线的发展受到了带宽与功率容量两方面限制。为此，本文首先基于多谐振技术提出了一种新型平面反射阵列单元结构，相比于传统单元，所提出单元结构具有功率容量高、剖面低且相移曲线线性度好的特点。其次利用所提出单元，通过优化阵面特性在Ka波段设计了包含20×20个单元的平面反射阵列天线。最后利用电磁仿真软件进行模拟计算，结果显示在中心频点35 GHz处，天线峰值增益为27.58 dBi，口径效率为52.33%，副瓣小于−16.08 dB，并且在30.41～39.64 GHz频率范围内（相对带宽26.37%）天线增益跌落小于3 dB，并且所设计平面反射阵列天线最大功率容量可以达到 13.99 MW，功率密度为218.54 W/mm2。
Ensuring the reliability of integrated circuits (ICs) has been a great challenge with the increasing complexity of the electromagnetic environment. On this basis, the fast-rising-edge electromagnetic pulse (EMP)-induced trap-assisted tunneling (TAT) effect is investigated by simulation and experiments of CMOS digital inverters. A detailed mechanism analysis is performed to explain the physical damage process. The EMP-induced field derives traps and leakage current in the oxide, which induces output degradation and thermal failure in the device. A theoretical model of degradation and failure is established to describe the dependency of the output deterioration and the heat accumulation on the EMP resulting signal features. The temperature distribution function is derived from the heat conduction equation in the semiconductor. Corresponding experiments performed based on the TLP test system substantiate the emerging performance deterioration, which is in agreement with the mechanism analysis. Simulated results from the Sentaurus TCAD indicate that EMP resulting voltage-induced damage is caused by the TAT current path occurring in the gate oxide, revealing the location susceptible to burnout. In addition, the dependency of the device failure on the pulse rising time is discussed. The mechanism analysis in this paper facilitates reinforcing the design and promotes EMP reliability research on other semiconductor devices, and the study contributes to the enhancement of EMP robustness in CMOS digital ICs.
当前加速器准直主要采用激光跟踪仪进行三维空间位置测量，三维测量数据用三维平差方法计算从理论上讲更为严密，但在实践中却发现存在误差累积现象，其中在高程方向的误差累积十分明显。为了控制三维平差高程方向的误差累积，研究将大地水准面做为基准引入测量和数据处理过程之中，获得基于大地水准面的高程测量数据，用高程数据构建约束条件方程，进行附有高程约束的三维平差。以激光跟踪仪为例给出了三维平差函数模型，研究了约束方程的构建方法，推导了附有高程约束的三维平差计算公式。研究了附有高程约束的三维平差函数模型的两种应用方法，通过模拟计算展示了这两种方法对高程方向误差累积的控制效果。最后对一组实测数据采用多种平差方法进行计算对比，结果显示附有高程约束的三维平差相比无高程约束的三维平差能够更有效的控制平差中高程方向的误差累积。
围绕CSNS 四极铁的中心引出标定方案进行研究，重点分析基于测磁平台获得的四极铁磁中心和旋转中心的偏差标准值；同时对每块磁铁进行两遍旋转中心和机械中心标定，比较其中心偏差标准值，分析结果表明：基于测磁平台获得的四极铁磁中心和旋转中心的偏差标准值为0.1 mm；通过两遍旋转和机械中心标定，获得的CSNS四极铁的标定重复性精度在0.03 mm之内；旋转和机械中心的 偏差标准值为0.1 mm。因此同类型、同准直精度要求的设备准直在无法实施磁中心标定情况下，不能直接用机械中心代替旋转中心标定，而采用旋转中心标定，再叠加旋转和磁中心偏差进行改正的标定方案则能很好地满足当前设备准直的精度要求。
针对核医学诊疗对PET医用放射性核素的需求，中国原子能科学研究院正在开展PET医用小型回旋加速器的产业化研究。磁场测量和垫补是回旋加速器生产中的必经环节，小型回旋加速器结构紧凑实现磁场测量仪的全自动化控制是一个难点，解决常规垫补方法加工成本高和周期长的问题是产业化生产的关键。本文详细介绍小型回旋加速器全自动化磁场测量和精密垫补平台的研制，通过多台小型回旋加速器的磁场测量和垫补实践，发展一套快速磁场测量和垫补流程，实现全自动化测量方法缩短磁场测量周期，采用精密垫补算法减少垫补次数。在保证磁场测量和垫补工作高效高质量完成的条件下，极大降低了时间和加工成本，为小型回旋加速器的产业化生产打下基础。目前，中国原子能科学研究院已经完成多台小型回旋加速器的商业化落地。
电网波动对上海光源加速器的正常运行有较大影响。针对该问题，展开了系统的分析和研究工作。首先介绍了电网波动的成因以及电网波动对上海光源的影响情况。通过对具体事例进行分析，优化了上海光源加速器受电网波动影响后的基本恢复流程。分析了各硬件系统在发生电网波动时的不同表现，并依此探讨了如何优化此类故障的处理流程，建立完善的机器恢复程序。针对外电网波动提出若干建议，并提出了面对电网波动时需要采取的措施，尽可能降低电网波动对如低温压缩机、超导高频腔等关键设备的影响。以期缩短实际故障时间，加快机器恢复速度，保障上海光源稳定运行。以近10年运行数据为基础，研究发现电网波动对上海光源的影响存在若干重要阈值，这些阈值对机器恢复具有指标性作用。对因电压暂降产生的二次故障进行分析讨论，并提出若干建议。
合肥先进光源（HALF）是一台正在规划中的衍射极限同步辐射光源，其紧凑的物理设计和小孔径磁铁导致传统离散分布的真空泵系统很难达到衍射极限储存环所需的超高真空环境。镀有NEG（Non-Evaporable Getter）薄膜的小孔径真空盒不仅节约空间，还具有分布式吸气的能力，能满足衍射极限装置对超高真空的需求。NEG膜层需要在一定温度下激活才能具有吸气作用，因此在满足其他部件安全的前提下，它的激活方法与工艺十分重要。本文通过建立在线激活NEG薄膜的温度分析模型，模拟在加热温度为180 ℃和200 ℃情况下的NEG镀膜真空盒及磁铁的温度分布；采用聚酰亚胺加热膜缠绕管道的加热方式对管道的在线激活工艺进行初步研究，完成银铜（OFS）真空管在线激活时的温度测量，测得磁铁最高温度保持在40 ℃左右，验证了NEG镀膜真空管在线激活时四极磁铁的安全性。此研究为合肥先进光源NEG镀膜真空盒在线激活提供了解决方案和工作基础。
为改善传统的束流位置测量电子学系统受电子学通道非线性、温度漂移和系统噪声等因素对位置测量精度带来的影响，介绍了一种新型的基于导频技术的数字束流位置测量电子学系统。该系统硬件包括模拟信号采集电子学、数字信号处理电子学和PTC(导频信号耦合)模块；软件包括顶层应用软件和底层驱动，束流信号与导频信号在耦合电路中耦合后，经电子学处理，在FPGA中计算得到归一化后的束流位置信息。实验室测试结果分析，经导频信号归一化处理后能够有效改善各通道随温度变化的现象，束流位置漂移从4.5 μm改善至0.5 μm，分辨率从57.25 nm提升到13.37 nm，并且进行导频信号开关实验更加直观观测导频信号对束流位置测量的在线校正效果。设计的基于导频信号的数字束流位置测量（DBPM）电子学可以高效、实时地实现对加速器束流位置的在线校正，提升电子学系统的实时分辨率性能。
质子直线注入器是质子治癌系统的重要组成部分。出于项目进度的考虑，上海先进质子治癌示范装置APTRON采用了进口自美国的直线注入器。为了加快质子治癌产业进程，掌握质子放疗关键技术，保证产业链安全可控，注入器团队研发了国产医用质子直线注入器。该直线注入器采用了电子回旋共振（ECR）离子源和四翼型射频四极加速器（RFQ）的技术方案，并在漂移管加速器（DTL）段创新性地采用了交变相位聚焦（APF）结构。在这个过程中，通过研究APF DTL的束流运动规律和设计思想，自主开发了APF DTL的底层物理设计软件，相继完成了物理设计、电磁设计、机械设计、加工建造、腔体冷测、高频老练和载束实验等多个阶段的工作，最终成功引出了7 MeV、7 mA的质子束流。经过束诊系统的测量分析，认定束流中心能量为6.975 MeV，动量分散在±0.35%以内的束流流强为6.07 mA。成为国产首台医用质子直线注入器和首个实现成功载束的APF加速腔。
在材料物性研究中，压力和温度是两个基础的物理量，国内磁驱动加载装置具有压力调节能力，暂不具备样品降温控制技术，针对这一现状设计了一套配合磁驱动加载装置负载区的样品初始降温系统，结合设计的电极板结构和测试探针工装，使负载区电极板与样品、样品与探针固定于设定位置；通过往电极板和探针工装形成的密闭气室内注入压缩低温液氮达到对样品降温的目的；通过真空泵，抽出电极板和探针工装形成的密闭气室内的空气，避免测速探针由于低温凝结空气中的水汽而无法工作。基于该系统开展了低温下铋的斜波压缩实验，获得了−80 ℃初始温度下铋的动力学响应数据，验证了降温系统的可靠性。
基于PFN-Marx技术路线研制了200 kV脉冲驱动源，采用了超前触发技术，实现了在40 Ω水电阻负载上输出电压约200 kV、前沿约25 ns、脉冲宽度约62 ns的脉冲高压。设计了工作电压为200 kV的“Washer-Needle”型二极管，在二极管电压210 kV、电流5 kA条件下，输出X射线脉冲宽度约40 ns，X射线焦斑直径1.2 mm，1 m处照射剂量约15 mR。
采用二维轴对称流体模型对单电极结构（不锈钢针管）和双电极结构（不锈钢针管-高压环形电极）下同轴双通道进气的大气压氦气等离子体射流进行了对比研究。研究表明：相比于单电极结构，双电极结构下射流的传播速度明显降低，介质管内尤为严重。同时双电极结构下射流的空间结构也发生了显著变化。在单电极结构下，随射流发展由环形中空结构转变为实心圆盘结构；而在双电极结构下则呈现出实心圆盘结构至环形中空结构再至实心圆盘结构的演化过程，改善了射流空间分布的均匀性。此外，还研究了双电极结构下高压环形电极厚度对射流的影响。研究表明，随环形电极厚度的增加，射流的传播速度进一步降低，射流通道径向收缩，同时环形中空结构的射流内径减小，进而改善了射流径向分布的均匀性。
对于小型模块式反应堆，可采用安全壳抑压装置限制失水事故引起的安全壳快速升温升压。然而随着排放质量流率及水池水温的变化，水池中可能出现温度分层现象，进而降低传热传质效果。建立了抑压排放水池温度分层实验装置，开展了蒸汽质量流率、鼓泡器淹没深度及气水容积比对水池温度分层特性影响的实验研究。结果表明：在较宽的蒸汽质量流率范围内，水池内均发生了温度分层现象，随着质量流率增大，对分层的影响程度减弱，冷热交界面下移，带动更多水体参与热量交换；鼓泡器淹没深度增加导致热交界面位置下移，水体搅动作用增强，从而提高水体冷却利用率；气水容积比增大，冷热交界面下移，受扰动区域增大。
为了精确计算早期核辐射，建立了中子及次级γ在大气中输运的蒙特卡罗计算模型，并利用几何分裂算法与时间分裂算法等减方差技巧提高计算效率，计算得到了距源点不同距离球面上中子与中子次级γ的信息，给出了不同位置不同时间的氮俘获γ能量释放率。开展了氮俘获γ能量释放率的规律性研究，并分析了中子能量对氮俘获γ的影响。结果表明，氮俘获γ能量释放率先随源点的距离增加而增大，在距源点约500 m达到峰值，而后随距离增加指数衰减。氮俘获γ能量释放率在时间上服从指数衰减规律，衰减时间在0.1 s左右。引入表征氮俘获γ辐射强度参数a和特征衰减时间参数
