大功率TEA CO2激光器系统产生的强电磁干扰主要来源于激光器主放电回路、脉冲火花开关和电源.这种强电磁干扰使大功率TEA CO2激光器控制子系统出现数据混乱、显示屏帧频滚动及功率模块损坏等电磁兼容问题.对大功率TEA CO2激光器系统中产生强电磁干扰的部位和干扰途径进行了测试及分析.通过调整放电回路的参数降低电磁干扰强度,采用埋入式同轴高压电连接器专利技术对主放电回路进行屏蔽,控制子系统选用PLC为控制核心及屏蔽滤波,软件中输入及输出程序的抗干扰设计等措施,有效地抑制了干扰电磁波在系统内外的传播,解决了大功率TEA CO2激光器系统电磁兼容问题.结果表明:主动降低电磁干扰强度和对电磁干扰源进行屏蔽,提高控制子系统硬件抑噪能力等措施,是抑制电磁干扰,保证激光器控制子系统硬件不受损坏的主要手段.软件抗干扰,是硬件抑制电磁干扰措施的补充和延伸,能使激光器系统具有很高的可靠性.

利用QHTP-2型温度脉动探空仪对合肥地区大气折射率结构常数进行了长期连续的实地探空测量,对大量探空实验数据的统计分析得出合肥地区(0～25 km)折射率结构常数随高度分布廓线,并以国际广泛应用的Hufnagel-Valley模式为基础拟合得出合肥地区大气折射率结构常数统计模式廓线.研究发现:合肥地区大气湍流随高度分布廓线存在明显的昼夜和季节变化,大气湍流在随高度增加而减小的趋势上叠加了随机起伏,并具有鲜明的跳跃式结构;合肥地区的高空湍流模式廓线较好地符合实测的平均廓线,能反映自由大气中湍流随高度分布的重要特征--指数递减和对流层增强.

光栅-外腔光谱合成效率主要由激光器和外腔的耦合效率决定.从衍射积分方程出发,建立了存在离轴像差情况下耦合效率模型,分析了光谱合成系统参数对耦合效率的影响.结果表明:当离轴距离增加、横模阶次增大、模场半径减小、阵列平面或光栅平面偏离焦平面时,耦合效率随之下降;光栅倾角和光栅平面-耦合输出镜距离对耦合效率影响甚微.对采用焦距为500 mm的对称双球面透镜,长度为10 mm二极管激光阵列的系统,快轴方向模场半径应大于0.15 mm, 慢轴方向模场半径应大于 20 μm, 阵列平面位置误差应控制在±0.5 mm内,光栅平面位置误差应控制在±0.2 mm内.

基于广义非线性薛定谔方程,利用分步傅里叶法数值模拟了超高斯时间分布的飞秒脉冲在光子晶体光纤中的传输特性.结果表明:超高斯脉冲比高斯脉冲在更短距离内形成孤子衰变,而且出现比强孤子功率稍低的次峰,孤子自频移更显著;另外,三阶色散会导致脉冲波形及频谱不对称,出现精细结构,并且有形成孤子的趋势;脉冲内拉曼散射对脉冲有平滑作用;自陡改变了主峰与次峰之间的能量分配.

基于Tovar提出的平顶多高斯光束模型,给出了环状光束模型.利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分理论,对环状光束通过像散透镜后的传输和聚焦特性进行计算和分析,并讨论了透镜像散对环状光束经透镜变换后对光束质量的影响.研究结果表明:环状光束通过像散透镜后变为非旋转对称光束;聚焦光强随着透镜像散系数的增大而逐渐减弱,聚焦光斑的方位仅由像散系数确定;在光束阶数和入射光波波长一定的情况下,环状光束通过像散透镜的变换特性和光束质量不仅与透镜像散系数有关,还与系统菲涅耳数有关,像散系数增大或菲涅耳数减小时,光束质量变差.

介绍了描述激光二极管远场光强分布的几种典型理论模型,并与实验结果作了详细比较.结果表明:激光二极管的传输和远场特性应当用非傍轴理论描述,并且远场光强分布一般与输出功率大小有关.在不同功率水平下,异质结激光二极管快轴与慢轴方向的远场行为应选用不同的模型模拟.此外,还对厄米-高斯模型做了修正,考虑了奇数阶厄米-高斯模的贡献,并用厄米-高斯模的非相干叠加代替厄米-高斯模的相干叠加.改进的厄米-高斯模型能更好描述100 mW双异质结GaAlAs LD慢轴方向的远场光强分布.

针对啁啾脉冲堆积方法获得的宽带激光,分析了其形成机制,并给出了其时间波形和光谱分布.采用KDP晶体Ⅰ/Ⅱ类角度失谐的三倍频方案以及Ⅰ/Ⅱ/Ⅱ晶体级联角度失谐方案,定量分析了啁啾脉冲堆积方式宽带激光三倍频转换效率随入射光强、带宽、以及晶体厚度等因素的变化,并与时间相位调制的宽带激光三倍频的相应结果进行了比较.研究结果表明,采用晶体级联方式可以大幅度提高宽带三倍频转换效率,并且啁啾脉冲堆积宽带激光的三倍频转换效率的提高比时间相位调制宽带激光更为明显.

研制可靠的数值模拟工具对Z箍缩内爆产生X光辐射过程进行理论研究、实验分析以及负载设计至关重要.介绍了2维三温辐射磁流体力学程序(MARED)的物理方案,给出了MARED程序的1维检验结果,验证表明MARED程序适用不同装置条件、不同负载参数.结合丝阵Z箍缩实验的数值模拟和分析表明:相同负载质量条件下,钨丝阵内爆产生的X光辐射功率远大于铝丝阵产生的X光功率;相同负载电流条件下,负载质量越大,计算得到X光功率越低;X光功率随着负载电流增加而增加.

采用真空热蒸发和电子束蒸发方法,制备了Al和MgF2 多层滤光膜,并在100,150,200,300 ℃的真空环境中进行了热处理,考察了真空热处理温度对多层滤光膜光谱、形貌和环境稳定特性的影响.结果表明,经过真空热处理后,滤光膜表面粗糙度降低,峰值透射率升高,半宽度增大.随着在实验室干燥环境中放置时间的增加,未热处理以及300 ℃热处理样品的透射率峰位向长波方向有较大的移动,峰值透射率降低,可见光抑制特性减弱.而150,200 ℃热处理样品的透射率峰位移动很小,峰值透射率及可见光抑制特性基本保持不变,具有很好的环境稳定性.

通过分析光线通过微球壳层后各界面的相位分布,讨论了相移干涉法测量微球内表面粗糙度的基本原理,研究了微球上部壳层对内表面粗糙度测量的影响,得到了聚苯乙烯,聚α甲基苯乙烯微球的内表面形貌特征图像,测量数据与原子力显微镜测量数据在同一量级.以微球壳层对超光滑碳化硅及单晶硅片表面形貌的调制作用为研究对象,讨论了微球的外表面粗糙度以及微球壁厚对内表面粗糙度测量结果的影响,确定了相移干涉法测量微球内表面粗糙度的不确定度,实验结果表明:对于表面粗糙度小于30 nm、厚度小于9 μm的微球,测量不确定度小于0.4 nm.

基于有限元数值方法,给出电光晶体KDP在高平均功率激光负载下温度场分布和应力场分布.在此基础上得到了折射率随温度变化、电光系数随温度变化、及应力双折射引入的退偏损耗.数值模拟显示:电光系数随温度变化和应力双折射是引起开关退偏损耗的主要因素.当入射激光平均功率为40 W、辐照时间为420 s时,KDP晶体最高温度为38.43 ℃,电光系数随温度变化及应力双折射引入的最大退偏损耗分别为2.38%和4.04%.实验测量了应力双折射导致的退偏损耗,实验结果和理论结果符合较好.

为了获得nm量级薄膜样品的精确厚度,采用软X射线反射率拟合方法、Bragg衍射方程方法和反射率Fourier变换方法分析了常规Cu靶X射线衍射数据及软X射线反射率数据.对厚度测量结果进行比较,3种方法得到的结果一致性很好.其中,软X射线反射率拟合和Bragg衍射方程方法精度很高,优于1 nm,Fourier变换方法精度稍低.对于单层W薄膜样品,3种方法获得厚度分别为(15.21±0.60) nm,(14.0±1.0) nm和(13.8±1.5) nm;对于双层W/C薄膜样品,W层厚度分别为(12.64±0.60) nm,(13.0±1.0) nm和(13.9±1.5) nm.这3种方法测量结果精度主要取决于反射率数据测量精度,而Fourier变换方法精度随着能量升高而提高,随着掠入射角范围增大而提高.

针对薄型光学镜面支撑过程中的主动施力过程,建立了一个1维分析模型.利用该模型,采用有限元法对一个口径为300 mm、直径与厚度比为40的薄型光学镜面,利用离散支撑方案,针对4种镜面变形进行了计算,得到了实现变形要求所需施加力的大小.使用零阶优化方法中的子问题逼近法对施力位置、施力大小进行了具体优化.分析结果显示:优化后的镜面变形与目标形状更接近,最大平均差值比优化前减小了58%.

根据惯性约束聚变靶材料研究的需要采用自悬浮定向流技术制备了金属纳米Fe粉,通过透射电子显微镜和X射线衍射分析技术研究了颗粒的形貌、粒度和相组成.结果表明,所制备的纳米Fe粉为规则的球状颗粒,其粒径分布在30～70 nm之间,在空气中颗粒表面有氧化膜生成,其氧化产物为Fe3O4.

介绍了在温度相同的条件下,混合物中各组元通过密度-压强迭代法,达到温度和压强平衡,再结合叠加原理,编程计算出混合物质状态方程.为验证该程序,对氘氚与氩按不同比例混合时的状态参量进行了分析.当氘氚中含少量氩时,计算得到的状态方程与纯氘氚符合较好;同样地,氩中含少量氘氚时的状态方程也与纯氩的很接近.这说明该程序是可行的.

利用自聚焦原理,研制了一种新型的球面弯晶谱仪.晶体分析器采用云母材料,其弯曲半径为380 mm,布拉格角为51°.利用成像板接收光谱信号,其有效面积为30 mm×80 mm,从等离子体源经晶体到成像板的光程长为980 mm.物理实验在中国工程物理研究院激光聚变研究中心20 J激光装置上进行,入射激光能量为6.78 J,成像板获得了铝激光等离子体X射线的光谱空间分辨信号.球面云母弯晶谱仪的光谱分辨率达到1 000～1 500,在相同环境放置的PET平晶的光谱分辨率为50～100.结果表明:球面弯晶具有较高的光谱分辨率和信噪比,适合于激光等离子体X射线的光谱学研究.

对一种由弱变和强变结构组成的锥形磁绝缘线振荡器进行了长脉冲实验研究.在二极管电压350 kV左右、电流约25 kA、脉宽约128 ns的条件下,获得了500 MW、脉宽约90 ns的高功率微波输出.对波形中出现的拐点进行了分析,研究表明:二极管电压波形好坏会对微波源的性能造成严重的影响,较好的电压波形是实现长脉冲运行的关键.同时对采用不锈钢平面负载、不锈钢丝网状负载以及石墨负载电子收集极进行了实验研究,研究表明采用石墨收集极可以输出较好的微波波形.

基于任意拉氏-欧拉方法的2维磁流体力学程序APMFCG被用于简单绕制的螺旋型爆磁压缩脉冲发生器动力学过程的模拟,给出了德克萨斯技术大学简单绕制的爆磁压缩发生器数值计算结果,输出电流和线圈电感的模拟结果与实验测量基本吻合.该程序也用于研究由于种子电流的不同所导致的欧姆电阻非线性效应对爆磁压缩过程的影响,实验结果证明了该程序计算的可靠性.

详细推导了具有分布损耗波导结构的回旋行波放大器的色散特性.通过绝对不稳定性振荡出现的条件,给出求解具有损耗波导结构回旋行波管放大器的绝对不稳定性起振电流的数值计算方法.研究结果表明:绝对不稳定性起振电流与损耗波导的集肤深度有关,选择有较大的集肤深度的损耗波导可以提高绝对不稳定性起振电流;绝对不稳定性起振电流同时也与工作磁场偏离饱和磁场的程度以及电子束的纵横速度比有关;通过设计具有分布损耗波导结构的注-波互作用电路,以及工作磁场、电子束的纵横速度比,可以在兼顾带宽、效率的条件下,保证回旋行波管放大器稳定工作.

通过对行波管周期永磁聚焦系统(PPM)的理论分析,开发了2维模拟软件UESTC_PPM.该软件主要用于模拟轴对称的永磁结构,在圆柱坐标系下,采用有限差分的方法迭代求解磁钢内外任意位置处的磁感应强度分布.模拟了单磁环结构以及单周期结构,将结果与Ansoft Maxwell 3D的模拟结果进行了对比,结果表明:轴上、轴向以及径向磁感应强度的分布图均很接近,但UESTC_PPM软件耗时较短,验证了UESTC_PPM的正确性,并具有一定的精确度.

为解决多注毫米波行波管收集极的散热问题,保障行波管工作可靠性与稳定性,利用 ANSYS 有限元软件模拟分析了收集极的传热特性,针对性地调整和优化了收集极相关参数与结构.研究结果表明:接触热阻是造成收集极具有较高温升的一个重要因素,由接触热阻所造成的温升约占收集极内外温度差的1/3 ;并不是第二电极与磁环接触宽度越宽所对应的收集极散热能力就越强,而是在一定工作条件下其散热能力存在极限值;对于绝缘陶瓷材料,应根据绝缘陶瓷的温度特性以及行波管的功率大小来进行选择;翼片式散热器是一种符合设计要求的理想散热结构.

建立了PIN二极管的Pspice子电路模型和热模型,模拟了PIN限幅器的瞬态特性.应用FORTRAN语言调用Pspice的仿真数据,计算了PIN二极管结温随输入脉冲变化的情况,讨论了PIN二极管的物理参数与温度的关系,结合结温的升高修改了Pspice软件中PIN二极管的子电路模型参数,模拟得到了不同结温下的瞬态响应曲线以及尖峰泄漏功率与脉冲频率、上升沿、结温的关系.模拟结果表明:输入脉冲的幅度越大,结温增长越快;在不同脉冲频率和上升沿情况下,升高的结温会导致限幅器尖峰泄漏功率增大.

为实现试验束束流位置的非拦截测量,研制了3个条形电极束流位置探测器和一批真空定位子.利用高定位精度电控精度电控位移平台对这3个探测器分别进行了标定,随后进行了束流初步试验.探测器主要由位于真空管道内的4条1 mm厚不锈钢条带构成,条带上感应信号的大小反映束流位置的变化.给出了探测器的定标系数、系统特性阻抗和端口传输系数.

针对闪光照相图像信噪比低的特点,提出了一种基于偏微分方程基于非线性PDE的约束的图像重建算法,该算法在重建迭代过程中引入了基于非线性PDE的平滑约束来抑制图像噪声,同时保护图像边缘.数值试验结果表明:相比于Landweber和预优约束共轭梯度(PCCG)重建算法,新算法具有更强的抗噪能力和边缘保护能力,是一种更加有效的闪光照相图像重建算法.

从辐射输运方程出发,通过递推的方法,推导并得到了包含高级修正的辐射能流表达式.利用这个表达式,分析了辐射在轻介质中传输时,辐射热传导近似的成立条件.热传导近似的成立条件总是要求温度空间变化尺度与自由程之比远大于某个值,该值即判别因子,它表征热传导近似条件满足的苛刻程度,其值越大,热传导近似就越难满足.讨论得出:当同时考虑轫致和散射过程时,这一判别因子的值在3～60之间.并进一步分析了密度的空间变化以及1维球坐标下的半径对判别因子的影响.

对质子照相系统中Zumbro磁透镜的参数进行了优化,使成像系统造成的图像模糊最小化,结果表明:构成Zumbro磁透镜的四极透镜对内外漂移段长度相等时,成像系统获得最小的图像模糊.对成像系统的视场进行了分析,表明视场对Zumbro透镜的参数不敏感.给出了质子能量为20 GeV时Zumbro透镜的参数,Geant4蒙特卡罗计算表明:所给的Zumbro透镜参数能正确成像.

利用时域有限差分法分别分析了线电流源激励下,正三角形、正四边形和正六边形双负介质柱的近场分布.发现对于介电常数和磁导率都很小且无耗的双负介质柱,当激励位于正多边形顶角角平分线的外延长线上时,在双负介质柱内部不会出现焦点.将该电磁模型同Arslanagic等人介绍的方法进行了比较,证明了电磁模型的有效性.

采用氧等离子体氧化刻蚀工艺,制备出尖锐的六硼化镧(LaB6)微尖锥场发射阵列.在二极管结构中测试了LaB6-FEAs的场发射性能,得到了真空度为5×10-5 Pa 下的I-V曲线及相应的Fowler-Nordheim节点.结果表明,由于LaB6材料较低的逸出功,使得阴极的开启电压较小,开启场仅为7 V/μm.此外,将氧等离子体氧化刻蚀方法与氩氧等离子体刻蚀方法和电化学刻蚀方法进行了比较,表明氧等离子体氧化刻蚀方法是制备LaB6场发射阴极阵列的一种理想工艺.

介绍了一种检测闪光照相图像缺陷以及消除这些缺陷的方法.在闪光照相实验中,底片图像会出现一些小尺寸的缺陷影响了底片信息的精确提取.根据闪光照相实验中采用完全一样的多张底片接收的特点,提出了一种闪光照相多底片图像的缺陷消除方法.首先对这些底片图像进行精确配准,将这些图像进行简单平均以获得均值图像,利用均值图像与各底片图像的差值获得缺陷图像,然后根据缺陷图像的特点对缺陷进行分割并判断各缺陷的归属.最后根据均值图像与缺陷图像以及缺陷分割与判断结果获得修补后的底片图像.实验结果证明该方法可以有效地消除多底片图像中的各类缺陷.

基于上海应用物理研究所的扫描质子微探针系统,对扫描透射离子显微成像(STIM)技术进行了仿真分析和实验研究,建立了基于中值滤波方法的数据处理程序,获得了大鼠股骨切片的面密度分布和薄壁小球的离轴STIM图像.理论分析和实验结果显示:由在轴探测数据的中值滤波结果可以计算出定量的面密度分布信息,由能量窗滤波的离轴探测数据则可以给出高分辨的定性图像,这在薄样品、强束流、以及质子激发X荧光(PIXE)分析同时进行的STIM分析中尤为有用;增加获取的事件数、选择合适的滤波方法可以使测量误差远小于阻止本领计算带来的误差.该方法可以用于测量几十靘尺度样品的绝对质量以及辅助PIXE技术进行元素定量分布分析.

熔石英亚表面缺陷对光场的调制是导致激光辐照场破坏的主要因素.采用有限元方法对熔石英亚表面缺陷(平面和锥形划痕)周围的光强分布进行了数值模拟.结果表明:划痕形状、几何尺寸、方位角、光的入射角等是影响划痕周围光强分布的主要因素;前表面划痕对光强的增强效果比后表面弱;在理想形状的划痕截面和表面同时发生内全反射时,平面划痕周围的光强增强效果明显.锥形划痕周围的光强分布为正确解释交叉划痕的夹角平分线附近的损伤提供了理论依据.

采用双光栅谐振腔和增长放电增益区,进行了TEA CO2激光器弱线输出特性研究.在CO2,N2,He气体体积比为0.16∶0.21∶0.63,总压强为57.3 kPa情况下,获得6条11 靘波长附近弱线(序列带和热带)激光输出,谱线脉宽为400 ns左右.研究了011-030带的P19线的输出波形和能量,结果表明:谱线输出能量随光栅中心的位移变化而变化,当光栅中心在放电区中心轴线上时输出最强,最大输出能量达几百mJ.

基于已有四开关组直线变压器驱动源(LTD)模块设计了对1 Ω负载输出电流100 kA、脉冲上升时间小于60 ns的八开关组LTD模块,该模块采用轮辐式结构,由8个储能电容、气体开关、峰化电容器组并联向中心负载放电.在此基础上,给出了峰值功率100 GW、共10级的LTD装置的物理设计,该装置为同轴感应电压叠加型脉冲发生器.通过电路模拟和PIC模拟,对物理设计进行了检验,结果表明:10级八开关组100 kA LTD模块串联可使10 Ω负载获得超过100 GW的功率输出,脉冲上升时间小于60 ns,所选取的结构和参数能保证电子流的磁绝缘,高压脉冲能有效传输到负载.

为了研制出便携式的具有较高性能的高能闪光X射线系统,需要发展新型紧凑型的高能闪光X射线二极管,要求其体积小,能工作在较高电压下.简要介绍了冷阴极X射线二极管的结构和工作原理;阐述了二极管绝缘结构设计原则,设计了一种新型的紧凑型轴向绝缘结构的X射线二极管;在高压端和地电极之间采用绝缘环和金属均压环交替叠加进行轴向绝缘,有利于减小二次电子发射几率,降低绝缘体表面爬电几率,缩短轴向绝缘距离.二极管工作电压为1 MV,轴向绝缘距离约260 mm,结合ANSYS数值模拟软件进行了静电场数值计算.二极管轴向绝缘区最大工作场强为95 kV/cm,各阳极三相点最大场强为26 kV/cm.计算结果表明:二极管的工作场强低于真空闪络场强;所有三相点的工作场强均满足绝缘要求.

研制了一种基于水介质单同轴脉冲形成线型的高功率脉冲调制器,该调制器由初级储能电容器、脉冲变压器、水介质同轴脉冲形成线、氢气主开关和场发射真空二极管等组成.用Pspice电路软件对脉冲形成线的充电电压和二极管电压、电流进行了模拟,并用有限元软件分析了脉冲形成线的电场分布.当初级储能电容器组充电电压为35 kV, 氢气主开关导通电压高达520 kV时,在调制器场发射二极管输出电压约230 kV, 束流30 kA,脉宽约60 ns的高电压脉冲.此外,对主开关充不同类型的气体进行了实验研究,结果表明:氢气主开关的脉冲调制器能够在二极管上获得前沿更陡的高电压脉冲,并能有效地改善二极管电子束的性能.理论分析与实验结果基本一致.此种类型的调制器具有运行稳定、体积小、结构紧凑的特点.

介绍了多级多通道气体开关的实验研究工作.开关在电脉冲触发(触发脉冲幅值85 kV)条件下,工作电压在1.0～2.0 MV范围内能够正常工作.自击穿实验验证了Bradley经验公式对于这种开关的适用性,外触发实验研究得到了开关的触发特性.结果表明:开关击穿延时小于100 ns,抖动小于8 ns;3个开关击穿时刻之间的极差小于10 ns.

基于脉冲功率系统磁绝缘传输线的时域仿真结果,分析了磁绝缘建立过程中不同阶段电极间的电子产生的能量损失特性;提出了造成能量损失的因素,包括损失的电子和磁绝缘的电子;给出了影响能量损失大小的因素,包括传输线的线长、半径比和加载脉冲的最大电压、电压的时间变化率等.通过分析不同脉冲功率波形作用下各传输阶段能量损失的起因、大小和影响因素,提出了依据极间的电子分布状态划分传输阶段,及对传输线的总效率分阶段计算的传输效率模型,给出了基于已知的传输效率数值模拟结果对不同阶段的损耗估算并最终估算传输效率的方法.

介绍了电光采样法测量电子束束团长度的实验原理和装置,理论分析并模拟计算了被测电子束团库仑场分布、ZnTe晶体的电光效应与束团电场的关系,并利用琼斯矩阵法分析了探测光通过电光晶体时在束团电场作用下的偏振变化、测量信号与束团长度的关系等.分析表明:测量中应使束团库仑场垂直于ZnTe的[001]方向,探测光偏振方向与ZnTe晶体y″轴成45°或者135°夹角,1/4波片快轴与探测光偏振方向夹角应取45°,这时平衡探测器输出信号与束团库仑场Eb成正比.1/4波片的作用是将电光晶体的工作点从非线性段移到线性段,平衡探测的作用是简化信号与Eb的关系,并提高信噪比.为实际测量应用提供参考.