中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川绵阳621999
冲击波是爆炸毁伤的主要载荷形式之一，炸药驱动激波管是较真实复现高超压冲击波场景的可能方式，当前亟需关注冲击波与产物分离状态、波阵面形态等实验参数测试问题，仅依靠传统电测原理的单一点源压力测量无法满足上述流场表征需要。基于反射式纹影原理并利用激光光源和系列光学元件，搭建了一套激波管出口流场诊断系统，将流动现象的可视化观测结果与传统压力测量相结合，完善流场特征诊断与分析方法。研究表明，该纹影系统能够清晰获得激波管出口的冲击波和产物运动流场图像，通过与压力测试与激波管点火时序的同步控制，可有效揭示压电式冲击波压力传感器数据振荡、压力突变、漂移等特征，以及爆炸后管道中应力波引起的管口及空气振动等现象。基于图像分析可分析获得炸药爆炸激波管出口冲击波运动速度和压力的空间衰减特性，该结果为更好理解炸药驱动激波管冲击波压力的形成和演化规律研究提供了诊断途径和分析基础。
光学测量 激波管 爆炸流场 纹影法 冲击波 optical measurement shock tube explosion flow field schlieren method shock wave 光学 精密工程
2023, 31(19): 2789
1 南华大学 电气工程学院 衡阳 421001
2 南华大学 机械工程学院 衡阳 421001
3 核工业西南物理研究院 成都 610041
直流-射频（Direct Current-Radio Frequency，DC-RF）混合等离子体具有高温、高化学活性等特点，在核用超细粉末材料制备领域有着广阔的应用前景。对这种混合等离子体的特性进行研究，可以为等离子体发生器装置的设计及稳定运行提供参考。本文采用k-ε湍流模型，对DC-RF混合等离子体发生器内的热等离子体的温度及流场空间分布进行模拟，并在此基础上分析了各工作参数对混合等离子体流动及传热特性的影响。模拟结果表明：提高DC弧电流、增大反应气及冷却气流量均能减弱混合等离子体发生器入口处的回流效应；提升RF线圈电流则能增加RF线圈附近的等离子体温度及高温弧区面积，但过大的气流量及过高的线圈电流会对发生器装置的正常工作产生不利影响。因此，需要合理调节各种工作参数来改变混合等离子体的流场分布，从而在保证装置稳定运行的前提下满足不同材料处理的需求。
直流-射频混合等离子体 湍流模型 温度 流场 数值模拟 DC-RF hybrid plasma Turbulence model Temperature Flow field Numerical simulation
1 宁夏中欣晶圆半导体科技有限公司, 宁夏半导体级硅晶圆材料工程技术研究中心, 银川 750021
2 厦门大学材料学院, 厦门市电子陶瓷材料与元器件重点实验室, 厦门 361005
3 宁夏职业技术学院, 银川 750021
4 厦门大学深圳研究院, 深圳 518063
利用ANSYS有限元软件分析了横向磁场下不同坩埚转速对200 mm半导体级直拉单晶硅的流场及氧浓度的影响。研究结果表明: 在横向磁场下, 硅熔体的流场和氧浓度分布呈三维非对称性, 熔体对流形式主要包括泰勒-普劳德曼漩涡、浮力-热毛细漩涡及次漩涡, 其中前两者有助于氧挥发, 而次漩涡则起到抑制作用。当坩埚转速较低(0.5~1.0 r/min)时, 较弱的熔体对流强度导致坩埚壁与固液界面间的热传导效率低, 氧主要以扩散机制迁移至固液界面, 熔硅中氧浓度高; 当坩埚转速较高(2~2.5 r/min)时, 氧通过强对流形式迁移至固液界面。随着坩埚转速增加, 次漩涡和浮力-热毛细漩涡的作用强度提高, 浮力-热毛细漩涡影响区域远离自由表面, 使硅熔体中的氧浓度呈先下降后上升的趋势。数值模拟结果与实验结果均表明, 在横向磁场条件下优选1.5 r/min的坩埚转速可获得平均氧浓度较低的单晶硅。上述分析结果可以为横向磁场下半导体级单晶硅拉晶参数优化提供参考依据。
ANSYS有限元分析 200 mm半导体级单晶硅 直拉法 坩埚转速 流场 氧浓度 ANSYS finite element software 200 mm semiconductor-grade monocrystalline silicon Czochralski method crucible rotation rate flow field oxygen concentration
1 宁夏中欣晶圆半导体科技有限公司, 宁夏半导体级硅晶圆材料工程技术研究中心,银川 750021
2 厦门大学材料学院, 厦门市电子陶瓷材料与元器件重点实验室, 厦门 361005
3 厦门大学深圳研究院, 深圳 518063
半导体级单晶硅是芯片的基础核心材料, 其晶体的氧含量分布对晶圆品质有重要影响。通过优化提拉单晶炉的热屏结构可有效控制晶体生长过程中的氧含量分布, 但难以通过实验探究其内在影响机制。本文采用ANSYS有限元分析, 研究了热屏结构对200 mm半导体级直拉单晶硅氧含量分布的影响。针对一段式、二段式两种典型的商用单晶炉热屏结构, 模拟了拉晶初期(300 mm)、中期(800 mm)、末期(1 000 mm)三个等径阶段的温度场、流场分布, 固液界面温度梯度及径向氧含量分布。计算结果表明, 与二段式热屏相比, 一段式热屏的熔体温度场均一性较好, 固液界面的温度梯度较小。此外, 一段式热屏的氩气流场有利于熔体自由表面上方SiO气体挥发和减弱熔体的剪切对流, 使固液界面前端向晶体扩散的氧减少。因此, 一段式热屏的固液界面径向氧含量分布均匀性较好且晶体中的氧含量较低。
半导体级单晶硅 氧含量 有限元分析 热屏结构 温度场 流场 semiconductor-grade monocrystalline silicon oxygen content finite element analysis heat shield structure temperature field flow field
季华实验室新型增材制造研究院，广东 佛山 528200
通过建立同轴喷嘴和粉末输运过程的数值模型，采用数值仿真模拟的方式研究了不同工艺参数下，同轴喷嘴在垂直和倾斜使用工况下粉末汇聚性的变化规律。结果表明：粉末聚焦处的粉末浓度随载粉气速度的增加而降低，而保护气速度对粉末浓度影响较小；在载粉气流量为8 L/min，保护气流量为20 L/min，送粉量为15.8 g/min时，相比于同轴喷嘴垂直使用，倾斜使用条件下粉末的聚焦高度由19 mm升高到21 mm，焦点直径由3.7 mm增大到4.2 mm；同轴喷嘴垂直使用时粉末分布的均匀性更好；数值模拟结果与试验结果吻合良好，可以准确反映不同送粉方式中粉末的输运特性。
激光技术 同轴喷嘴 数值模拟 粉末流场 倾斜工况 激光与光电子学进展
2023, 60(13): 1314003
红外与激光工程
2023, 52(5): 20220606
1 南京信息工程大学物理与光电工程学院江苏省大气海洋光电探测重点实验室，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044
3 南京信息工程大学江苏省气象光子学与光电探测国际合作联合实验室，江苏 南京 210044
在利用莫尔层析技术测量高温复杂流场关键物理参数时，流场的区域划分能够更好地确定成分，这对确保测量精度显得尤为重要。考虑到实际被测流场结构的复杂性，提出了一种自动寻找流场边界的算法对高温复杂流场进行区域划分。为验证算法的有效性和合理性，选取两类典型流场（氩弧等离子体和丙烷-空气火焰流场）进行了实验验证。结果表明，此算法可以显著提高流场区域划分的效率和精度，相关研究成果可以为结构较为复杂的流场重建问题提供一定的基础和思路。
边界寻找 区域划分 莫尔层析技术 复杂流场重建 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0512002
航天工程大学激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416
CO是碳氢燃料不完全燃烧的重要产物, 常常被作为反应燃烧效率的标志物, 燃烧场CO组分浓度的精确测量对提高燃烧效率、 减少污染物排放具有重要意义。 离轴积分腔输出光谱（OA-ICOS）是一种利用物质对激光的特异性吸收, 实现对该物质分析和测量的技术, 具有非接触、 稳定和高灵敏度等优点。 针对燃烧场CO浓度低, 背景信号干扰强等特点, 采用分布反馈式（DFB）激光器搭建基于离轴积分腔输出光谱的CO浓度测量系统, 通过直接吸收光谱的测量方法实现对高温燃烧场CO浓度测量。 利用仿真模拟的方法, 在所用激光器中心波长的附近选出了常温下谱线强度较为突出, 高温下不受其他燃烧产物干扰的第一泛频带R(10)吸收谱线。 通过固定光程池对比吸光度的方法标定了OA-ICOS系统的有效光程; 通过比较不同扫描频率下吸收谱线的信噪比和线型拟合残差标准差, 得到最佳波长扫描频率; 通过测量不同浓度CO混合气体的吸收信号分析了系统误差。 探究了不同燃烧情况下CH4/Air预混平焰炉上CO的产生情况, 根据燃烧场测量区域温度分布情况描述了温度分布不确定度对CO测量结果的影响。 当量比为1.0时, 在10 ms的测量时间分辨率下, 噪声等效灵敏度（NEAS）为3.67×10-7 cm-1·Hz-1, 系统测量误差小于4.5%, 燃烧场测量区域温度分布不确定度带来的CO浓度测量不确定度为5.6%。 改变当量比从0.8到1.2时, 得到平均温度变化范围为1 275~1 368 K, CO浓度变化范围为0.041%~1.57%。 研究发现随着当量比的提高, 燃烧场温度和CO浓度均呈上升趋势。 实验结果表明将离轴积分腔输出光谱技术应用于燃烧场气体参数测量具有信噪比高、 检测灵敏度高等优点, 可以实现痕量气体组分浓度的精确测量。
离轴积分腔输出光谱 浓度测量 一氧化碳测量 燃烧流场 Off-axis integrating cavity output spectroscopy Concentration measurement Carbon monoxide measurement Combustion flow field 光谱学与光谱分析
2022, 42(12): 3678
中国科学院西安光学精密机械研究所， 陕西 西安 710119
随着空间安全与应用探索的不断深入，近空间飞行器目标探测效能成为研究的核心问题。光学成像探测能够直观反映目标的形态、光谱与运动特性等多维度信息，因此成为空间探测感知的重要手段。在近空间大气密度、气压、对流等条件作用下，导致高速飞行器光学探测设备成像质量与探测性能衰减。采用以成像系统、大气传输系统和目标背景系统为要素的目标探测分析模型，根据气动光学效应理论，建立高速流场气动光学效应评价方程，对深空、近地等典型应用场景进行成像探测分析。设计了高速流场环境下目标探测地面验证试验，仿真测试结果表明，针对空间高速飞行目标，采用900~1 700 nm谱段短波红外探测器配合厚度10 mm以上石英窗口，对尾焰目标辐射具有良好观测效果；通过降低探测设备曝光时间、优化曝光控制策略及选用光学带通滤光片等方式，能够有效抑制背景杂光与气动光学效应影响。
近空间 目标探测 气动光学效应 高速流场 near space target detection aero-optical effect high speed flow field 红外与激光工程
2022, 51(12): 20220218
