从理论、实验两方面对薄膜的激光损伤机理和提高损伤阈值的手段进行了回顾。概括了现有理论模型及其适用范围, 对缺陷的行为进行了多方面的论述, 重点比较了各种制备方法及后处理手段的特点, 分析了主要工艺参数对薄膜损伤阈值的影响。结合本实验室及国内外同行的工作, 对溶胶-凝胶法制备高损伤阈值薄膜的工艺进行了总结。从吸收、热传导、抗拉强度等角度对物理膜和化学膜在结构与性能上进行了比较, 提出了从化学键、成膜过程等方面分析损伤机理的建议, 并结合真空污染、亚表面损伤等新问题提出了未来工作的发展方向。

从Airda16000低平流层风廓线雷达的谱宽出发, 扣除非湍流因素引起的谱宽加宽, 得到湍流对谱宽的贡献, 并计算出湍流耗散率。对对流层湍流耗散率的变化特征进行了分析, 得出结论: 对流层以下耗散率的量级在10-6~10-2 m2·s-3之间, 并且随高度增加而减小。在3 km以下, 晴空湍流耗散率具有明显的日变化特征, 中午逐渐增大, 在夜间和清晨偏小, 并且随着高度增加, 日变化规律随时间向后延迟; 3 km以上则不具有明显的日变化规律。耗散率的季节变化很突出, 不同季节耗散率随高度递减的程度有差异, 2008年夏季耗散率随高度的递减率为5.67%; 冬季耗散率随高度递减率为14.7%; 秋季分别为12.5%; 而09年春季递减率为11.5%。耗散率的变化可以反映出雷达的探测高度, 夏季雷达探测高度可达12 km; 冬季雷达探测高度很低, 仅为7 km; 春秋两季探测高度为8~10 km。

就高功率激光二极管阵列端面泵浦大口径放大器提出一种新的耦合方式: 激光二极管阵列拟柱面排布, 即所有激光二极管面阵成1维圆弧型排列, 圆弧的圆心在增益介质的几何中心, 其后紧接一个空心导管进行耦合传输。建立了3维光线追迹程序对这种新耦合方式的特性进行模拟。模拟计算结果表明: 这种耦合方式中二极管阵列排布方式灵活, 当二极管阵列面阵单元以1×12(圆弧方向)、2×6(圆弧方向)、3×4(圆弧方向)这3种排布方式排布时, 在较大的圆半径变化范围内均能实现高的输出耦合效率和高的能量沉积效率; 当增益介质紧贴导管输出放置时, 3种方式排列均能在增益介质中实现均匀平顶分布; 当快轴方向所排阵列个数与慢轴方向所排阵列个数之比接近慢轴发散角与快轴发散角之比时, 能获得更好的耦合效果。

提炼了由入射激光能量、能量沉积率、环境气体压强、喷管母线长度及其半顶角组合而成的圆锥形喷管无量纲因子, 并将其推广到抛物形喷管的研究中。用辐射流体力学计算程序计算了4种半顶角下圆锥形和抛物形喷管的冲量耦合系数随无量纲因子的变化规律。计算结果表明: 两种喷管的冲量耦合系数都存在极大值, 极大值对应的无量纲因子约为0.4; 无量纲因子相同时, 半顶角越小, 冲量耦合系数越大; 同等条件下抛物形喷管的冲量耦合系数高于圆锥形喷管的冲量耦合系数。

以速率方程模型为基础研究了光谱特性对半导体泵浦碱蒸气激光器性能的影响。结果表明: 碱蒸气激光器的运行存在最优温度, 温度和长度对碱蒸气激光器性能的影响是等价的, 可以定义一个与温度和长度无关的效率描述其它参量一定时激光器的最优效率; 泵浦谱宽对阈值泵浦强度的影响是线性的, 由于碱金属原子在谱线远翼具有较大吸收截面,即使泵浦谱宽几倍或十几倍于原子吸收谱宽时也可能获得较高的效率; 原子吸收谱宽对阈值泵浦强度的影响是非线性的, 随着原子吸收谱宽的增加激光器光-光效率出现饱和下降; 泵浦谱宽和原子吸收谱宽越宽, 半导体激光器由于温度或电流导致的中心波长漂移的影响越小, 实际中采用外腔压窄的半导体激光器阵列(谱宽小于200 GHz)可以控制其温度或电流漂移, 使得碱蒸气激光器的性能基本不受影响。

通过理论分析和模拟验证, 研究了基于横向剪切的数字全息相位重建方法, 分析并指明了详细的重建过程, 提出了利用平坦区域相位数据进行线性拟合, 从而获得线性相位畸变系数的方法, 并指出对原始包裹相位图进行1维相位展开是横向剪切法重建数字全息相位信息的前提。对无噪声及含有噪声的全息图进行了数值重建, 结果表明: 对于弱噪声干扰的全息图, 该方法很有效; 而对于较强噪声干扰的全息图, 采用中值滤波方法对原始相位图进行滤波后再重建, 并对重建的相位图再次进行中值滤波, 可以得到高质量的再现像; 减小再现像平面抽样间隔, 使剪切相位图中相邻的两个像元之间相位差的最大值小于2π,才可以获得正确的相位重建。

通过对具有2维高斯型相位分布特征的物体的X射线同轴相衬成像技术进行理论分析, 建立了成像系统参数优化系统。优化系统明确了图像衬度、信噪比、分辨力和探测器抽样数等成像质量评价参数对射线源能量、源焦斑尺寸、探测器分辨力、成像几何和物体结构特性等系统参数的依赖关系。采用数值模拟,分别对亚微焦点源、激光驱动微焦点源和同步辐射源3种X射线源下的成像系统相关参数进行了优化。结果表明, 优化系统很好地完成了系统的优化工作。

利用波长为800 nm的飞秒激光脉冲, 通过Z扫描技术研究了CS2在不同光强下的非线性折射和非线性吸收特性发现, 随着光强的增加, 闭孔Z扫描透过率曲线发生了较大的轴向移位。分析结果表明: 在低光强下, 这种轴向移位源于双光子吸收的影响;而在高光强下, 是双光子吸收和五阶非线性共同作用的结果。给出了决定五阶非线性存在与否的临界光强, 以及非线性参量与轴向位移的关系。

在不同湍流内尺度情况下, 对大气湍流引起的光波光强闪烁和到达角起伏的时间频谱特征进行了实验研究。由于实际大气湍流的复杂性和不可控性, 利用大气湍流模拟箱来生成具有不同内尺度的大气湍流实验环境。利用位置敏感探测器对光波的光强闪烁和到达角起伏进行了同时测量, 并反演得到了光传输路径上的湍流内尺度。实验结果显示: 湍流内尺度为2.7~5.0 mm, 对应同一湍流内尺度, 闪烁频谱和到达角起伏频谱在高频段以相同的幂指数关系下降, 幂指数的绝对值与湍流内尺度的大小呈线性关系, 随着内尺度的增大, 频谱指数变化区间逐渐向低频方向移动。

设计并建立了一套完整的线成像激光干涉测速系统, 用于激光驱动技术中小尺寸飞片或样品一条线上所有点的速度测量。它将激光压缩为线状照射到靶面, 用成像物镜收集靶面的漫反射光并传递到广角迈克尔逊干涉腔中形成干涉, 产生的梳妆干涉条纹作为信号载体, 用变像管扫描相机记录条纹随时间的变化,用不同位置的条纹移动量反推出不同位置的速度分布, 实现空间分辨。系统具有50 ps响应时间和20 μm空间分辨能力。用该系统测量了激光驱动飞片的速度场, 清晰的扫描干涉图像直观显示了飞片的运动过程和各点的速度差异。用傅里叶变换方法对干涉图像进行处理, 得到了靶面一条线的速度和位移分布。

设计了一种离轴双反馈外腔能够有效地改善激光二极管阵列的线宽和光束质量。闪耀光栅和高反镜之间形成了一个共振腔。通过调整光栅和高反镜之间的倾角可以选定一个空间模在共振腔中放大。将一个半波片插入外腔中的光栅反馈支路, 来控制反馈光的数量, 激光从光栅反馈支路输出。运用这项技术, 在工作电流16 A, 可以把激光二极管阵列的输出线宽压缩到0.15 nm, 光束束宽积减小到283 mm·mrad。由于光栅的锁定作用, 中心波长几乎不随温度的变化而改变。在工作电流17 A时, 输出激光的功率为2.44 W,斜率效率为0.5 W/A。

将杨氏干涉实验作为双缝衍射现象处理, 以部分相干厄米-高斯(H-G)光束为例, 研究分析了多模部分相干光的杨氏双缝干涉光强和干涉条纹可见度的空间分布。数值计算说明, 多模部分相干光束的空间相干参数、模阶数和缝遮拦比对衍射场中光强的空间分布(干涉花样)都有影响。当多模部分相干光的阶数为奇数时, 轴上光强与光束的相干性会出现相消干涉;当多模部分相干光的阶数为偶数时, 轴上光强与光束的相干性会出现相长干涉等。

为有效提高空间太阳能聚光器的聚光效率, 提出了一种用于太阳能热推进器的具有伞状龙骨结构的可折叠展开式抛物面太阳能聚光器设计方案, 该方案可以克服充气展开式抛物面聚光器和刚性固定抛物面聚光器具有的技术难题。设计了一个聚光功率100 kW, 开口圆半径4.9 m的可折叠展开式伞状龙骨结构正焦抛物面聚光器, 利用Fluent软件, 对太阳能热推进器进行了模拟和性能预示, 以氢气为工质气体, 得到系统的推力和比冲可以分别到达10.23 N和701.4 s。结果表明:这种推进器具有比冲高、推力适中的特点, 可以用于微小卫星、纳卫星的轨道转换及姿态控制。

采用基于半导体断路开关的纳秒脉冲高压电源, 在两个金属电极之间产生放电区间为1 600 mm×100 mm×25 mm的常压辉光空气等离子体。等离子体发生器采用负高压针电极阵列与平板阳极结构, 针电极的直径为1 mm, 长度为20 mm, 针电极之间的间隔为20 mm, 针电极与平板零电位之间的距离为25 mm, 在每个负高压针电极末端周围同时形成圆锥形辉光放电, 在平板地电极则形成大面积辉光放电。采用电压探针测量了该新型等离子体的放电特性, 结果表明: 放电脉冲的上升时间为26 ns, 最高脉冲输出峰值电压为27 kV; 利用该辉光等离子体对幅宽为1 000 mm聚四氟乙烯薄膜进行了表面改性处理, 处理后其表面接触角由原来的124°降到69°, 亲水性能大为提高。

为实现干凝胶法制备惯性约束聚变靶用空心玻璃微球(HGM)炉内成球工艺过程的有效控制, 从数值模拟和工艺实验两个方面研究了干凝胶粒子直径、比热容、发泡剂质量分数和辐射吸收系数对干凝胶粒子炉内成球过程及最终HGM性能参数的影响。结果表明, 随着干凝胶粒子直径和/或比热容的增大, 干凝胶粒子在吸热封装阶段的升温速率显著降低, 在炉内成球过程各工艺阶段的停留时间快速下降, 尤其是在精炼阶段的停留时间急剧缩短。降低干凝胶粒子的比热容和/或提高干凝胶粒子的发泡剂质量分数, HGM的直径和壁厚均匀性增大, 高质量空心球的比例也相应提高。干凝胶粒子的辐射吸收系数变化对炉内成球过程几乎没有影响。

运用量子力学从头计算方法, 计算了氢化锂(氘化锂、氚化锂)分子的部分热力学函数和力学、光谱学性质。基于准简谐Debye模型, 计算了固体Li的振动内能、振动和电子熵, 探讨了Li吸收氢同位素气体生成一氢化物的反应熵变、生成焓变和生成Gibbs自由能及氢同位素的平衡离解压。结果显示: 在Li吸收同位素气体生成一氢化物的反应中, 生成焓变和反应熵变均为负值, 且随温度升高, 绝对值越大, Gibbs自由能则向正的方向增加。热力学上, 在相同温度和压力下, 氢置换一氢化物中的氘和氚、及氘置换氚的反应更易发生。

为了诊断等离子体X射线, 利用X射线布拉格衍射原理研制了球面弯晶谱仪。实验采用α-石英作为其晶体分析器色散元件, 晶体弯曲半径为250 mm, 布拉格角为30°～67.5°; 采用接收面积10 mm×50 mm的X射线胶片作为摄谱器件, 接收等离子体X射线谱线信息。通过在“阳”加速器装置上进行实验, 得到了钛等离子体X射线K壳层激发谱线信息, 其光谱分辨力可达到1 000以上, 光谱带宽约为0.43 eV。

探讨了相对分子质量不同的聚乙烯吡咯烷酮对多元醇法制备银纳米结构的影响, 采用扫描电镜和X射线衍射仪对样品进行了表征及分析, 并用紫外可见分光光度计研究了粒子的光学性质。实验结果表明: 在相同的实验条件下, 不同相对分子质量聚乙烯吡咯烷酮将得到不同形貌的银纳米粒子; 相对分子质量为1×104的聚乙烯吡咯烷酮得到的银纳米线产率最大, 随着聚乙烯吡咯烷酮相对分子质量增加, 银纳米线将减少, 相应的银纳米立方体将增多。

利用1-on-1损伤测试方法, 比较研究了电子束沉积制备的几种薄膜在真空、大气环境下的损伤特性, 并对真空环境与大气环境损伤的差异进行了分析。研究结果显示:真空环境下的损伤阈值明显低于大气环境下的损伤阈值, 真空环境下的破斑形貌也与大气环境下的破斑形貌有显著差异。气体热传导差异不是真空环境与空气环境下损伤差异的原因。由水的解吸而引起膜层在真空环境中张应力的增大及真空环境中激光辐照过程中产生的非化学计量比缺陷是导致电子束沉积的薄膜真空与大气环境中损伤差异的原因。

使用针-板式电极装置, 在大气压氮气介质阻挡微放电中, 通过对氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)发射光谱的时间分辨谱线进行分析, 根据振动带序发射光谱强度计算得出N2(C, ν)振动温度, 并研究了不同压强及放电电压对氮分子(C3Πu)的振动温度时间分辨的影响。实验结果表明: 氮分子振动温度的范围为2 000～3 500 K, 在每半个放电周期内都呈减小趋势, 且正负半周期振动温度差较大, 负半周期振动温度始终高于正半周期; 振动温度随电压升高而升高, 随压强的升高而降低。

阐述了利用X射线相衬成像技术研究高分子有机泡沫材料微观结构的原理及方法,理论分析及实验结果表明, X射线相衬成像方法可以在相当大的程度上提高低Z聚合物泡沫材料的成像衬度。将相衬成像技术与计算机层析成像技术相结合, 获得了泡沫样品的3维骨架结构分布, 同时, 提出利用统计切片骨架“粒子”质心分布的方法来表征其密度分布均匀性。结果说明, 该方法能够在微观层次上实现对泡沫样品3维密度分布的完备表征。

以乳液聚合法制备的平均粒径1.2～1.5 μm单分散聚苯乙烯(PS)微球为核, 经过超声敏化、化学镀、还原等过程制备了PS/Ag核壳结构复合微球。采用透射电镜、X射线衍射、红外光谱、紫外可见光谱对其形貌、物相、结构与光学性质进行了表征与分析。结果表明: PS/Ag复合微球粒径相对均一; 通过多次敏化、控制二次银氨溶液浓度(0.002～0.006 mol/L), 可实现对纳米银壳层厚度的调控; 纳米银壳层沉积生长过程中, 随着PS微球表面银粒子的增多、增大, 复合微球的光学等离子体共振吸收峰产生显著的展宽与红移。

采用2维三温非平衡辐射流体力学程序LARED-H数值模拟辐射驱动内爆过程。针对2维三温能量方程九点差分格式离散后的线性方程组, 采用了高效的Krysolv子空间迭代解法,改进了代数解法器。将1维间接驱动内爆总体程序CFJ与LARED-H程序的计算结果进行比对, 验证了LARED-H程序数值模拟1维内爆问题的正确性。并数值模拟了不同腔长辐射温度源驱动下的2维靶球运动, 数值结果显示: 随着腔长的增加, 高压缩内爆燃料区分别被压缩成香肠形、球形和铁饼形, 数值模拟结果与神光Ⅱ的实验结果定性上相同。

利用激光驱动4.8 keV左右的 Ti等离子体X射线源作为背光, 通过静态成像实验研究了针孔辅助点投影诊断方法及其特点。进行了点投影技术动态诊断应用探索, 建立了光子能量约4.8 keV、时间分辨力约100 ps、空间分辨约10 μm的动态诊断实验平台。并简要介绍了此诊断平台上开展的流体力学不稳定性研究、激光加速射流、材料预压缩特性研究等一系列实验结果。

对块状TiO2气凝胶的溶胶-凝胶过程及结构进行了实验研究, 结果发现: 增加催化剂的量, 凝胶化时间缩短, 湿凝胶的透明度降低, 强度提高;增加前驱体的量, 凝胶化时间缩短, 湿凝胶的透明度变化不大, 强度提高;增加水量, 凝胶化时间先缩短后增加, 湿凝胶透明度先减小后增加, 强度先增加后减小。利用扫描电镜对超临界干燥法制备的不同催化剂量和密度的块状TiO2气凝胶的结构进行了表征, 并对结构与溶胶-凝胶过程之间的联系进行了分析。结果表明: 增加催化剂量, 由于缩聚反应进行的程度提高, 气凝胶粒子粒径较小且总的孔径较大。减小前驱体量, 气凝胶粒子粒径增大且结构逐渐疏松。

研究了电激励脉冲HF激光工作介质SF6/C2H6混合气体的放电特性。通过对放电等离子体荧光图像和放电波形的测量, 分析比较了不同条件下放电稳定性、剩余电压、能量沉积效率等特性参数的变化情况。实验结果表明: 混合气体的放电过程存在主放电、剩余电压维持和电弧放电3个阶段, 各阶段的放电特性有所差异; 提高充电电压有利于放电能量的有效沉积, 也会使不稳定的电弧放电提前; 增加C2H6原子分数能起到抑制电弧放电的作用; 混合气体总压的增加会导致剩余电压的提高以及辉光放电的能量沉积效率的降低; 最佳的能量沉积出现在电弧放电阶段与辉光放电阶段即将融合的临界状态。

为在惯性约束聚变系统中开展靶丸空间坐标的高精度测量,针对人工方式瞄准方法在安装调试上存在费力费时、自动化程度不高等缺点, 采用基于双目视觉的方法, 利用高精度2维标定板, 通过迭代方法使角点提取精度达到0.1个亚像素, 采用奇异值分解法来去除奇异点、改进的张正友标定算法等手段提高了标定精度。实验表明, 在坐标测量精度均为25 μm, 距离测量的系统最大误差小于100 μm, 指标能满足系统要求。

介绍了用于模拟介质表面高功率微波击穿的粒子模拟-蒙特卡罗碰撞方法, 并采用该方法模拟研究了氩气环境不同气压下的介质表面高功率微波击穿过程, 获得了该击穿过程中粒子数量和电子平均能量的时间变化图像, 并得到了击穿延迟时间。数值模拟结果发现: 在低气压下, 次级电子倍增的作用比较明显, 但电子数量在次级电子倍增饱和后的增速较低, 击穿延迟时间较长; 随着气压的升高, 次级电子倍增的影响逐渐变小, 气体电离逐渐占主导地位, 击穿延迟时间逐渐变短; 在高气压下, 由于介质表面吸收沉积电子而呈负电性, 次级电子倍增消失, 击穿延迟时间由气体碰撞电离来决定。

提出了一种新型功率合成器, 其工作原理为: 通过在两个相互垂直的过模矩形波导中放置两组相互垂直的金属插板, 对具有不同极化方向的矩形波导TE10模进行隔离传输, 实现高功率微波的双路通道功率合成。基于这一原理初步设计了一个中心频率为9.55 GHz的功率合成器, 并进行了数值模拟。模拟结果表明: 这种功率合成器可以承受高功率, 单通道工作时的功率容量分别大于7.31 GW和6.83 GW, 中心频率上两个通道的单模功率传输效率分别达到了98%和99%, 反射损耗分别小于-36 dB和-21 dB, 通道之间的耦合损耗分别小于-30 dB和-45 dB。

通过测量自然闪电条件下埋地电缆的雷电感应过电压, 探讨了不同类型电缆屏蔽层对芯线上感应过电压的影响。结果表明: 电缆屏蔽层具有明显降低雷电感应过电压的作用; 对同一次自然闪电, 相对于电源电缆, 控制电缆和信号电缆上感应电压脉冲波形峰峰值分别为65%和26%。在选取的起始脉冲时间段内, 电缆感应过电压正、负峰值的绝对值同时增大或减小, 具有一定的对应关系。钢带屏蔽层能够有效抑制控制电缆感应过电压400 kHz～1 MHz的频率分量, 铜编织带屏蔽层对信号电缆感应过电压50 kHz以下频率分量的削弱效果明显。总体来看, 铜编织带比钢带具有更好的屏蔽效果。

采用微带测试电路对光导开关电压转换效率进行了测试。依据传输线理论, 考虑微带传输电路的端点反射, 计算给出了光导开关导通电阻不为0的情况下, 微带测试电路电压转换效率的解析结果。计算表明: 对窄脉宽的线性电脉冲输出, 电压转换效率将小于50%; 对lock-on模式下的宽脉冲输出, 电压转换效率可以超过50%, 在理想情况下达到100%; 在临界状态下, 形成双峰电脉冲输出。结果表明, 存在端点反射且光导开关产生电脉冲脉宽达到一定值时, 微带线可以起到倍压传输线的作用。

一种均匀面片尺寸的图钉型电磁带隙结构只能实现一个表面波带隙, 而将不同参数的图钉型电磁带隙结构级联可以实现多个或宽带的表面波带隙。利用不同金属面片尺寸的图钉型电磁带隙结构级联的方法实现双带的表面波带隙。设计两种均匀的电磁带隙结构, 使其带隙范围分别覆盖天线的两个工作频带, 然后将这两种结构级联起来, 加载于两个缝隙天线单元之间。仿真分析和实验结果表明, 级联型的电磁带隙结构可以有效抑制表面波, 在两个频率带内同时减小互耦。

研制了中心频率为300 MHz的宽带高功率贴片天线, 并进行了高功率实验研究。采用Taguchi全局优化算法对双层贴片天线的结构参数进行优化设计, 使其驻波比小于3的带宽达到60.2%, 最大增益8.1 dB。为提高其功率容量, 对贴片、介质基底和馈电结构进行了改进和相应的绝缘设计。小信号测试结果与理论计算吻合, 实测带宽达到64.2%。高功率实验中, 馈入峰值89 kV和-81 kV的双极的脉冲, 辐射因子达到75.2 kV, 等效峰值辐射功率为188.5 MW, 辐射场频谱的3 dB带宽为46%, 实测能量方向图与模拟结果相符, 半能量角宽约为90°。

利用三阴极加速器平台, 对不锈钢、黄铜、铝、天鹅绒和石墨等几种常见场致发射材料的电流发射能力、相对启动延迟时间及其抖动进行了实验研究。实验结果表明: 在二极管电压近似恒定时, 不锈钢阴极启动时间延迟抖动小于8 ns, 天鹅绒阴极及石墨阴极启动时间延迟抖动小于4 ns;且材料在阴极频繁工作时启动时间加快;常见金属材料中不锈钢阴极的综合性能较好; 非金属材料中, 天鹅绒阴极的发射能力最强, 且发射延迟时间最短,但考虑到天鹅绒材料严重的出气问题, 非金属材料中以石墨阴极的性能为优。

设计了一种C波段谐振式相对论返波振荡器, 分析了其结构特点和工作的物理机制。利用粒子模拟方法研究了器件的工作特性, 发现插入段长度和反射器半径的选取对该类器件的效率非常关键; 在二极管电压为0.5～1.0 MV范围内, 所设计的器件的效率为20％～25%, 频率保持在4.25 GHz附近。结合对器件实际高频结构的电动力学特性分析, 重点研究了纵向谐振模式、品质因数等特点, 结果表明该器件工作在2π/5模、品质因数约为100时功率效率最高。在此基础上, 解释了谐振式相对论返波振荡器具有适用的电子束范围宽、频率稳定等特点的原因, 并对该类器件的相关设计原则进行了分析验证。

利用人工传输线作为右手传输线, 与混合左右手传输线(CRLH-TL)进行耦合, 实现左手传输线和右手传输线的混合耦合, 构造了一种新型的定向耦合器。该耦合器具有后向耦合、小型化、结构紧凑的特点。实验测试结果表明: 耦合器的工作频率在1.3~1.8 GHz, 相对百分比带宽达到32%, 实现了10 dB的耦合度, 比常规微带线定向耦合器具有更大的耦合度调节范围,隔离度大于25 dB。实验测试结果与电磁仿真结果相吻合。

为提高微波空间合成的效率和经济性,提出了一种基于抛物面天线阵的空间功率合成技术。采用抛物面天线作为天线阵列的基本辐射单元, 综合考虑空间功率合成效率和相位一致性之间的关系, 通过数值分析和理论公式对比得出: 合成效率只与单元的幅度和相位有关, 与合成单元的数量无关。对阵列单元、天线阵的合成效率进行了软件仿真, 得到的合成效率约为92%。结合实验结果, 分析了影响合成效率的因素和提高合成效率的方法。

报道了工作点测量技术的研究现状, 对束流频谱分析用于工作点测量的方法进行了详细说明。介绍了上海光源储存环工作点测量系统的物理需求、方案设计、硬件结构及关键设备选型。采用束流实验的方法对系统配置参数进行优化, 对系统测量误差及分辨力进行测试评估, 讨论了测量系统不同工作模式的优缺点, 并给出加速器不同运行阶段应该采用的运行模式。优化后的上海光源工作点测量系统, 其系统测量误差小于0.000 1, 测量分辨力好于0.000 05, 测量过程对束流轨道及等效束斑尺寸的扰动控制在μm量级, 现已在上海光源运行及机器研究中投入实用。

介绍了用于合肥光源800 MeV电子储存环高频系统的204 MHz, 40 kW固态发射机的研制进展。该发射机为双塔结构, 由130个330 W功放模块进行三级合成。其关键部件的样件包括10路功放和2.5 kW八合一, 20 kW八合一以及40 kW二合一功率合成器各1件的制作和测试已完成。测得各合成器输出端驻波比不超过1.05, 功放模块的增益达到26 dB, 幅相偏差小于0.1 dB和5°, 达到设计要求。

介绍了脉冲线测量插入件磁场一二次积分的原理和测量装置的组成, 分析了重力、噪声和反射波等因素对测量精度的影响, 并采用对称安装金属线、夜间测量、油滴吸收反射波等方法减小了这些因素对测量的影响。脉冲线测量系统的测量结果与霍尔点测法相比符合得较好。利用该装置对实验室即将投入应用的电磁型圆极化波荡器进行了测量, 验证了校正线圈和主线圈电流之间的关系。

对低幅值、短周期、有偏置磁极的周期会切磁场中300 keV, 3 kA带状电子束的传输进行了理论分析和粒子模拟。给出了将波导宽度考虑在内的轴向均匀带状电子束的空间电荷场和作用在有限厚度的带状电子束的短边和宽边上的聚焦力的表达式, 并利用束匹配的方法得到了磁场的幅值和周期, 以及电子束通道的宽度和高度等参数。最后根据理论计算的结果进行了3维粒子模拟验证, 结果表明: 束宽边上聚焦良好, 而在短边上带状电子束的轴向有限长效应使得聚焦力与散焦力沿轴向不能完全匹配, 在束包络上产生了Betatron振荡, 但在300 mm的距离上传输效率仍能达到98%以上, 说明有偏置磁极的周期会切磁场聚焦强流带状电子束在理论上是可行的。

低Z流体的单次冲击波压缩极限是判断各种研究高压物态方程理论和实验正确与否的重要参数。维里定律和Hugoniot方程表明, 单次冲击波压缩率是由各种因素的相对重要度决定的, 包括平均势能、平均动能、内部自由度的激发度和逆幂函数型势能曲线的幂指数。如果幂指数大于2, 相互作用势能使流体变得比理想气体更难压缩, 否则流体就比理想气体更容易压缩。内部自由度的激发总是让流体变得更容易压缩。在各种不同因素起主导作用的压强段, 低Z流体的单次冲击波压缩极限不同。用一个简单的单次冲击波压缩极限的表达式解释了低Z流体在离解区域和电离区域的行为。

对爆炸物检测中伴随α粒子技术的时间谱进行了研究, 建立了一套基于伴随α粒子技术的时间谱测量装置, 分析了影响时间谱分辨的若干因素。采用60 μm厚的铜箔设计了一个锥形准直筒对散射的α粒子进行屏蔽, 以500 g尿素为样品测量了α-γ符合时间谱。结果表明, α粒子在靶室内壁的散射是影响时间谱分辨的重要因素, 锥形准直筒抑制了与α散射相关中子产生的γ射线, 提高了α-γ符合时间谱的分辨。在有无锥形准直筒的条件下, 符合时间谱特征瞬发峰γ的半高宽分辨力分别为1.8 ns和6.4 ns。分辨力高的时间谱可用于获取爆炸物样品的特征瞬发γ能谱。

基于裂变中子(252Cf)对裂变链(235U系统)依存关系, 在对252Cf中子裂变信号的测量原理及信号特点分析基础上, 开展了基于支持向量机的中子裂变信号时频特征分析及识别研究工作。采用小波分解和去噪小波包分解方法, 提取不同状态下随机核信号的时频能量特征, 借助于统计学习理论的支持向量机(SVM)分类器原理进行训练和分类。研究结果表明: 通过直接小波分解或去噪小波包分解, 以获取核信号特征的方法是有效的; 去噪小波包分解特征提取方式, 较之直接小波分解特征提取方式更能反映中子裂变核系统的内部特征和规律; 基于SVM核信号样本的分类, 训练后的SVM分类器有着大于70%以上的正确率, 且较好地克服了训练样本数较少的问题, 验证了方法的可行性和有效性。

采用新型室温碲锌镉(CdZnTe)辐射探测器, 通过厚针孔系统对137Cs高能662 keV伽玛射线辐射源进行成像探测, 得到了能谱图和放射源图像。计算分析了高能射线穿透效应对空间分辨力的影响, 并对不同偏压下得到的图像进行比较与讨论。实验表明, 当放大倍率不大时(小于3), 高能射线对准直器材料的穿透效应增大是限制图像空间分辨力的主要因素, 探测器像素尺寸的大小对图像空间分辨力的影响并不明显。随偏置电压升高,探测器得到的图像会得到改善, 但过大的偏压(大于1 000 V)会使晶体内部的电场不均匀性增大, 降低信噪比从而降低图像品质。

基于所研制的252Cf中子源频域测量系统, 针对核探测系统的死时间使核事件丢失这一问题, 利用自相关分析, 研究了一种核探测系统死时间测量与修正的方法。试验测量结果表明: 采用自相关图谱, 可以直接获得高速频谱测量系统的死时间为40 ns, 既方便又快捷, 且测量精度高, 达到了ns级, 优于国外文献报道的类似核**识别测量系统的死时间20 μs。

为深入了解电磁超材料中物质间相互作用关系, 理论分析了金属导体线阵列宏结构嵌入单负磁导率媒质中时其等效介电常数的变化特性。数值计算和电磁仿真方法相结合, 讨论了单负磁导率媒质和单负介电常数媒质的相互作用关系, 提出了减小其相互作用的解决方法。仿真结果显示: 将金属线阵列直接嵌入到单负磁导率媒质中时, 电磁超材料传输特性在整个频段内为传输禁带; 将金属线裹附一层绝缘材料后, 传输禁带变为传输通带, 这表明金属线阵列和单负磁导率媒质之间必须加入一种绝缘材料才能合成双负的电磁超材料。

OH自由基及氧原子在大气化学、表面处理及化学污染物分解等方面有着重要的作用。利用发射光谱技术在线测量了大气压射流等离子体中OH自由基紫外波段与O自由基777, 844 nm波段的发射光谱。研究了OH自由基与氧原子光谱强度随放电功率及放电体系中所加入的氧浓度的变化。将实验测得的OH自由基光谱图与用Lifbase数据库模拟光谱图进行比较, 估算了OH自由基的转动温度。结果表明: OH自由基的转动温度随放电功率的增加而增加, 随工作气体流速的增加而减小。

利用传输矩阵法研究了含缺陷三元1维光子晶体的带隙结构, 并通过数值模拟分析了光子晶体缺陷层厚度的变化对带隙结构产生的影响。结果表明: 含缺陷对称分布的三元1维光子晶体, 缺陷层厚度对禁带的带宽影响不大; 在较宽的禁带中存在一个很窄的透射峰, 该透射峰随着缺陷厚度的增加而红移。在一定的范围内, 给出了该透射峰波长随缺陷厚度变化的非线性函数关系, 在此基础上对禁带中该透射峰的半峰全宽做了计算, 给出了半峰全宽随缺陷厚度变化的关系图。

基于脉冲形成原理提出了一种快脉冲高电压大电流测量探头的在线标定方法。利用闪光二号加速器输出线和二极管作为脉冲形成线, 结合研制的低电感开关和负载, 产生一个前沿小于3 ns、脉宽20 ns的准方波, 对二极管电压测量探头微分型电容分压器和电流测量探头微分环进行了在线标定, 得到测量探头在实际使用环境中的时间响应小于4 ns。该方法消除了非在线标定环境和实际环境无法统一对标定结果的影响, 可推广应用于传输线型脉冲功率装置的探头标定。

基于对125 kV直线型脉冲变压器驱动源(LTD)模块的实验研究, 设计了脉冲形成线为Blumlein结构的150 kV LTD模块, 并在此基础上设计了输出电压600 kV、四级模块串联运行的LTD装置。根据理论计算的结果选择了LTD次级线圈的尺寸, 通过电路和3维模拟, 分析了不同输入方式对输出脉冲波形的影响, 结果表明: 左端输入方式输出脉冲波形好于右端输入方式; 与单边输入方式相比, 双边对称输入方式得到的载脉冲波形的前沿更好。根据600 kV LTD装置的设计参数进行了电路模拟, 在40 Ω匹配负载上得到的输出脉冲波形前沿(10%～90%)约30 ns、平顶约110 ns、后沿约30 ns、幅值约600 kV, 满足绝缘耐压要求。

为了提高光束质量、压缩光束发散角, 利用现有高功率稳定腔TEA CO2激光器进行了非稳谐振腔的技术改造及激光输出试验, 非稳谐振腔采用正分支虚共焦型非稳腔方案。为充分研究谐振腔结构参数及激光振荡模体积对输出能量和光束发散角的影响, 共设计加工了包含4种放大率、5种模体积的20组非稳腔腔镜组合。在其它参数都相同的试验条件下, 进行了非稳腔镜的单脉冲输出对比试验, 得到的最大输出能量为14 J, 是原平凹稳定腔的70％, 而光束发散角只是原平凹稳定腔的1/4。

以美国NOVA和国家点火装置用的高功率脉冲氙灯为例, 结合对神光Ⅲ装置用脉冲氙灯的分析, 发现了影响脉冲氙灯失效的几个因素, 包括石英灯管应力、氙灯尺寸、灯管微缺陷、电极溅射、灯头绝缘、氙气纯度、封接可靠性及周围氙灯放电。结果发现:在进灯能量相同的情况下, 氙灯电极弧长越长, 内径越大, 寿命越高; 石英灯管表面的静态拉应力、内表面的微缺陷以及周围氙灯的电离辐射使得氙灯的额外负载能量大大增加, 这些是导致氙灯爆炸概率变大的直接因素。

提出了一种包含内外筒、细线径、多起端密绕的螺旋脉冲形成线(PFL)结构, 与Tesla变压器有机组合, 构建了长脉冲产生装置, 可以实现较高的能量效率, 并且结构紧凑, 适于重复频率工作。以最大充电电压为结构设计原则, 螺旋PFL波阻抗为12.6倍慢波系数, 且形成线纵横比大于3.1时, Tesla变压器的耦合度能达到0.95; 以形成线最大储能为结构设计原则, 螺旋PFL波阻抗为7.5倍慢波系数, 且形成线纵横比大于2.0时, Tesla变压器的耦合度能达到0.95。实验结果与理论分析吻合得较好。

通过等效电路方法计算了MA量级小型螺线管爆磁压缩发生器(HEMCG)各参数, 得到发生器的损耗主要来自非欧姆损耗。设计的HEMCG整体外径约140 mm, 长度小于550 mm, 初始电感128.7 μH。实验表明, 在初始电流3.6 kA条件下, 在100 nH负载上输出前沿75.2 μs、峰值1.87 MA的电流脉冲, 电流放大约519.4倍, 能量放大约209.5倍, 炸药化学能到电磁能的转换效率为6%。两发HEMCG分别经原边电感约440 nH、副边电感约4 μH、耦合系数约0.85的电缆变压器调制, 在4 μH负载上得到了上升时间约80 μs、峰值72 kA的脉冲电流, 变压器能量传输效率约为26.8%。关键词: 爆磁压缩发生器; 强流脉冲电源; 脉冲功率技术; 电缆变压器; 调制xingmaer@163.comＭiniature MA-level helical explosively-driven magnetic flux compression generatorLi Xiaolin1, Chen Dongqun2, Li Da2, Cao Shengguang2, Wang Yuwei2, Li Shu2 (1. The Fifth Air Force Flight Academy, Wuwei 733003, China; 2. College of Opto-Ｅlectronic Science and Engineering, National Universityof Defense Technology, Changsha 410073, China)Abstract: The parameters of miniature MA-level helical explosively-driven magnetic flux compression generator(HEMCG) are caculated by method of equivalent circuit, and the result indicates that the main loss of HEMCG is non-ohmic loss．The entire outer diameter of HEMCG with initial inductance of 128.7 μH is about 140 mm, and the length is less than 550 mm．When the initial current injected is 3.6 kA in the experiment, a pulse current with 75.2 μs risetime and 1.87 MA peak value is obtained on the 100 nH load while the seed current is amplified by 519.4 times, which means that the energy amplification coefficient is 209.6, and the conversion efficiency from chemical energy of explosive to electromagnetic energy is 6%．The HEMCG is modulated by cable transformer with about 440 nH primary inductance, 4 μH second inductance and 0.85 coupling coefficient, a pulse current with 80 μs risetime and 72 kA peak value is gained on the 4 μH load, the energy transmission efficiency of the cable transformer is 26.8%．Key words: explosively-driven magnetic flux compression generator; high-current pulse power source; pulse power technology; cable transformer; modulation

在初级脉冲整形的基础上, 利用快直线变压器技术, 可以使长脉冲高功率微波驱动源的结构紧凑并实现模块化。为此着重分析了直线变压器的传输效率, 研究了导致系统输出波形畸变的主要因素。通过工程实验, 取得了功率数GW、重复频率25 Hz、前沿约40 ns、宽度约160 ns的长脉冲电子束流输出。

以单粒子模型和带电粒子运动方程为基础, 采用蒙特卡罗方法, 编写了真空沿面闪络过程计算程序, 研究了外加磁场对真空沿面闪络过程的影响, 主要是对二次电子发射及电子束的雪崩运动的影响。研究表明: 外加磁场的存在, 改变了绝缘体表面电子的运动, 进而影响到绝缘体表面电荷的分布, 从而在宏观上对绝缘体的耐受电压产生影响; 外磁场抑制真空沿面闪络的效果与磁场的空间分布有关, 磁场加在阴极附近时产生的效果优于加在阳极附近。