对高功率固体激光装置中, 光学元件波前经过变形镜校正后的梯度均方根指标开展了研究。建立了变形镜校正效果的等效分解方法, 分析了校正波前的部分相干叠加特性, 对校正波前的梯度均方根与焦斑尺寸的对应关系进行了研究。解决了在有变形镜校正时, 如何制定元件波前梯度均方根指标的问题。研究结果对高功率固体激光装置的光学元件波前指标制定有指导意义。

为获得高亮度低发射度的电子束, 研制高重复频率高平均功率的光阴极驱动激光系统非常关键。利用光纤激光技术, 设计了100 MHz和1.3 GHz的激光系统。激光系统为全光纤结构, 采用了掺镱光子晶体光纤作为放大器增益介质。在初步验证实验中, 红外激光输出27 W, 倍频后绿光达到6 W。

激光在大气中传输时, 由于大气湍流的存在, 会导致光束漂移和能量集中度下降。校正倾斜像差, 可以提高激光在大气中传输的质量, 而快速倾斜镜正是倾斜像差校正的关键部件。设计了一个基于柔性轴结构的二维压电陶瓷型快速倾斜镜, 采用高压运算放大器PA96制作其驱动电源, 并选用TMS320F2812型DSP芯片作为倾斜镜控制系统的核心处理器, 经实验测试表明, 该快速倾斜镜的偏转范围达到1.8 mrad, 谐振频率为432 Hz, 角分辨力约为0.5 μrad。最后将此系统应用于激光大气传输倾斜像差校正实验中, 实验结果表明, 该系统能够有效提高光斑能量集中度并降低光斑漂移, 可以应用于激光大气传输中对倾斜像差的校正。

为解决合成孔径激光雷达(SAL)所需高重复频率大带宽相干光源问题, 提出了合成频率步进线性调频信号(SFSCS)的方案, 并进行了基于SFSCS信号SAL (SFSCS-SAL)的成像理论和实验演示研究。采用多台独立的窄带宽高重复频率线性调频激光器构成SFSCS信号, 给出了SFSCS-SAL的成像数据方程和图像形成方法。理论分析表明: 在一定条件下, SFSCS-SAL的成像处理与常规SAL相同；但是, 与单个子脉冲激光器SAL相比, SFSCS-SAL的距离向成像分辨率提高至少N倍(N为构成SFSCS的独立激光器数目)。实验演示中, 利用一台1550 nm波段的线性调波长激光器, 通过光学斩波的方法模拟生成了子脉冲数为3的SFSCS信号。以此SFSCS信号作为探测光源, 建立了SFSCS-SAL实验装置, 对强散射目标和弱散射扩展目标, 均实现了高分辨率成像。实验结果与理论分析一致。

提出一种基于核密度估计的时-空域滤波算法, 用于红外搜索跟踪系统图像的背景抑制。算法分为空域滤波和时域滤波两部分。在空域滤波中, 采用核密度估计算法对背景进行平滑；在时域滤波中, 采用核密度估计算法对经过空域滤波后的图像灰度值进行概率计算, 判别属于背景残差的灰度值, 然后做进一步的滤除。核方法对背景有很好的光滑性且易于计算机实现, 实验表明, 这种非参方法设计的时-空域滤波算法对背景杂波有非常良好的抑制效果, 信噪比也得到明显提高。

高峰值功率脉冲光纤激光器在激光雷达系统中有着广泛的应用。然而, 光纤激光器中放大自发辐射噪声(ASE)严重影响了系统的探测性能。提出一种测量高峰值功率脉冲光纤激光器中ASE噪声的方法。在该方法中, 首先对高峰值功率的激光脉冲衰减, 然后在时域分别测量和计算ASE噪声和激光脉冲的相对能量。给出了光纤激光器在驱动电流分别为6 A, 7 A和8 A时衰减后的ASE噪声廓线以及ASE噪声占激光脉冲能量的比例。

构造一种基于遗传算法参数优化的脉冲耦合神经网络(PCNN)红外图像分割算法。该算法首先利用PCNN的全局耦合性和脉冲同步性对输入图像进行点火处理, 根据PCNN的输出结果计算熵作为遗传算法的适应度函数, 并利用熵的变化量作为遗传算法的收敛依据, 对PCNN模型中影响图像分割的参数进行组合优化, 结合PCNN生物视觉特性和遗传算法解空间随机搜索能力来寻找关键参数的最优值。将遗传算法和PCNN进行结合可充分发挥二者优势, 将本文方法与最大类间方差法(OTSU)、最大熵直方图分割算法和PCNN分割方法进行对比, 通过交叉熵、区域对比度等客观指标对分割后的图像进行定量分析, 结果表明无论从主观视觉还是客观指标, 本文方法分割效果优于其他对比方法。

提出一种新型的缓变锥型光纤接口器件。该接口器件是一个长度为150 mm左右的缓变锥型光子晶体光纤。利用有限元方法对模场直径差别较大的不同光纤进行拼接时的损耗问题进行研究。研究结果表明: 在模场直径分别为9 μm和10.4 μm的光纤之间加入锥型光纤后可以有效降低耦合损耗, 并且在不同波长下耦合损耗都维持在一个较低水平。因此, 该接口器件能够实现光纤拼接时物理结构的过渡和不同模场直径的转换, 从而使拼接损耗降到最低。

对LD泵浦的掠入射板条放大器链系统激光介质的热效应进行研究。针对掠入射放大器结构建立了相应的热力学模型, 对激光介质的温度场分布、热致波前畸变和热透镜效应进行了详细的理论分析。利用有限元分析软件COMSOL模拟了晶体内部的温度、应力及应变的分布情况, 并进一步讨论了板条厚度、泵浦尺寸以及种子光入射角对光程差和热透镜造成的影响。结果表明, 随着泵浦光斑尺寸和种子光入射角的增大, 光程差变小, 热透镜效应减弱；板条厚度对光程差和热透镜的影响较小。模拟计算结果对于预测板条热效应的强弱、热效应的补偿, 以及放大器链结构参数的设计提供了依据。

为实现基于微透镜阵列的高功率半导体激光器堆栈光束整形, 对带有快轴准直透镜的高功率半导体激光器堆栈慢轴光束准直技术进行研究。在慢轴光束准直理论分析基础上, 着重研究了慢轴填充因子对其光束准直的影响, 并对不同填充因子的半导体激光器慢轴光束准直方案进行了分析。针对实际使用的填充因子0.5的高功率半导体激光器堆栈采用以Bar条为单元进行整体准直设计, 并采用基于空间扫描法的发散角测试装置对慢轴准直后剩余发散角进行测试, 实现准直后剩余发散角半角2.12°, 实验表明该准直方法的有效性。

报道了一种基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的高消光比非保偏-保偏光自适应偏振转换系统。该系统利用偏振控制器对非保偏光的偏振分量进行直接控制, 通过SPGD算法对输出的偏振消光比进行优化, 最终实现了自适应的非保偏-保偏光的偏振转换。理论上, 结合SPGD算法和偏振控制器的原理, 对系统进行分析, 建立了非保偏-保偏光自适应偏振转换的数学模型。实验上, 利用该系统实现了非保偏到保偏光的转换, 获得了14.1 dB的线偏振光输出；并利用该系统将任意方向(0~360°)偏振态的线偏振光转换为期望偏振态的高消光比线偏光, 其输出线偏光的平均消光比约为12 dB。

利用水平能见度和水汽压资料估算气溶胶光学厚度, 并和太阳辐射计实测数据对比, 用均方根偏差和相对偏差评估估算方法的精度。对气溶胶光学厚度日平均值的分析结果表明: 实测值与估算值变化趋势大致相同；估算方法存在系统偏差。提出修正因子对估算方法进行修正, 修正后的估算方法精度明显提高。

基于RXTE卫星天基数据, 建立了时空坐标系转换、时间修正及历元折叠方法, 构建了用于提取导航信息的Crab脉冲星轮廓, 剖析了该天基载荷结构及特性, 对卫星运行空间背景辐射进行了模拟计算。结果表明, 在设定导航条件下, 空间弥散X射线对航天器单星定轨及多星定位影响在km量级以上。同时阐述了实用化脉冲星导航探测中, 改进导航定位精度急需注意的技术问题。

建立了观测和记录不同激光入射角度烧蚀6061铝合金靶材等离子体反喷羽流特性的实验装置, 对实验结果图像进行了处理, 并对处理结果进行了数值拟合。拟合结果表明, 激光辐照靶材后100 ns内, 等离子体反喷羽流大致分布区域为靶面外5 mm×5 mm。激光以不同角度入射时, 等离子体反喷速度相对于靶面法线方向大致呈轴对称分布。当激光相对靶面法线方向小角度范围内入射时, 激光烧蚀引起的冲量主要沿靶面法线方向, 反喷羽流沿靶面法方向的速度为20~40 km·s-1。激光斜入射时, 反喷羽流沿靶面法线方向的速度要大于激光垂直入射的情况。高斯函数可以很好地描述等离子体反喷羽流速度分布。

提出一种相干激光聚焦式传输进行相干合成的方法。通过液晶相控阵波束方向控制技术, 可以在目标区域内的任意位置进行相干合成。基于实际参数, 建立相干合成理论模型, 在此模型下5束相干激光在距离为100 m、坐标为2 m的位置进行相干合成后, 激光的峰值光强增加到单束激光的16.9倍。研究了目标区域内不同位置的峰值光强变化规律, 分析发现光束抖动的直接原因是出射激光的相位面产生畸变, 深层原因是电压量化引起的相位延迟误差。量化位数小于16时, 增加量化位数可以显著减小位置误差, 提高峰值光强；量化位数大于16时, 量化位数不再是位置误差的主要原因。传播距离大于5000 m时聚焦式相干合成可等效为平行式相干合成, N束激光合成后峰值光强接近单束激光的N2倍。

激光等离子体相互作用(LPI)是制约在美国国家点火装置(NIF)上实现间接驱动惯性约束聚变的关键问题之一。LPI的激发不仅依赖于激光束功率密度与光束品质, 还强烈依赖于光束所经过的等离子体状态。模拟显示, 内环激光通道上靠近腔壁的He等离子体是受激拉曼散射(SRS)产生的主要区域。通过改变黑腔设计参数(包括构型、尺寸和填充物材料等)可以一定程度优化特定区域的等离子体状态, 进而抑制LPI的产生。据此, 提出了使用大黑腔高激光能量和改变填充气体组分两条控制SRS增长的技术路线。线性分析表明, 两条技术路线效果明显, 可分别将SRS峰值增益降低70%与63%。

冲击点火是一种新型点火方式, 介绍了国内进行的冲击点火分解实验。实验结果表明: 相比于方波脉冲, 在冲击峰整形脉冲作用下激光与等离子体相互作用明显增强, 背向散射光的份额增加, 散射光谱来自于不同密度的等离子体区域。实验中也观察到了方波条件下冲击波在CH样品中的传播过程, 与模拟计算结果较为符合。

利用微流控技术实现了毫米量级多元丙烯酸酯(TMPTA)空心泡沫微球的制备。通过对微流体通道的设计与流场分析, 获得了具有最佳流场均匀性分布的Y型微流控通道；利用软模板技术实现了Y型通道微流控芯片的组装, 并开展了TMPTA泡沫微球的结构控制研究。研究结果表明: 在模板尺寸一定的情况下, 能够通过调节各相流速实现对微球壁厚和直径的有效控制；微球壳层密度可通过控制单体浓度来调节。通过优化控制条件, 实现了密度20~100 mg/cm3、直径大于3 mm的空心泡沫微球的制备。

以目前激光惯性约束聚变中应用最广泛的高折射率材料二氧化铪(HfO2)为研究对象, 在熔石英基底上分别采用TEMAH和HfCl4前驱体制备了HfO2薄膜, 沉积温度分别为100, 200和300 ℃。采用椭偏仪和激光量热计对薄膜的光学性能进行了测量分析, 采用X射线衍射仪(XRD)对薄膜的微结构进行了测量。最后在小口径激光阈值测量平台上按照1-on-1测量模式对薄膜的损伤阈值进行了测试, 并采用扫描电子显微镜(SEM)对损伤形貌进行了分析。研究表明, 用同一种前驱体源时, 随着沉积温度升高, 薄膜折射率增加, 吸收增多, 损伤阈值降低。在相同温度下, 采用有机源制备的薄膜更容易在薄膜内部形成有机残留, 导致薄膜吸收增加, 损伤阈值降低。采用HfCl4作为前驱体源在100℃制备氧化铪薄膜时, 损伤阈值能够达到31.8 J/cm2 (1064 nm, 3 ns)。

针对飞机进气道等离子体隐身问题, 建立了三维筒形进气道模型, 采用有限元求解波动方程, 计算了腔体内壁覆盖均匀等离子体时的雷达散射截面。研究表明: 腔体内覆盖等离子体时可以有效吸收入射电磁波能量；吸收随电磁波频率增加而减弱, 但由于腔体结构作用, 会存在几个吸收峰；吸收随电子数密度增加而增强, 但电子数密度过高时, 吸收效果会变差；最佳碰撞频率虽然与电磁波频率和电子数密度有关, 但其值可约为9 GHz；吸收随等离子体厚度增加而变大, 但在较大电子数密度时, 由于电磁波在等离子体与空气交界面处反射导致厚度增加, 从而使得吸收变小；选取合适的入射角度和等离子体数密度可以在1~3 GHz频段实现明显的隐身效果。

针对传统的激光诱导损伤阈值测试中存在的耗时问题, 提出了一种利用单发次、大口径光束的介质膜损伤阈值的快速测定方法。该方法以图像处理为基础, 通过坐标变换和栅格压缩, 建立了样品辐照区域内损伤分布与光斑强度分布之间的精确对应关系。基于对大口径光斑辐照区域内损伤信息的快速提取和统计方法, 通过单次激光辐照, 获取了待测区域的损伤阈值。根据此方法搭建了单发大口径光束损伤阈值测试平台, 并对HfO2/SiO2高反射膜损伤阈值进行了单发次测定的验证。

为了能对射频信号进行连续相位调制, 设计了Ka波段新型小型化的模拟电调移相器, 该电路基于90°分支线电桥与并联结构变容二极管实现电路大范围移相, 利用四分之一波长微带线实现电路匹配及阻抗变换, 通过并联补偿电阻平衡其插入损耗波动, 并对其进行了详细分析与探讨。仿真及实测结果表明: 该移相器在29~31 GHz频段范围内, 可获得180°左右的相移量, 插入损耗优于6.5 dB, 插入损耗波动在1 dB内, 相移误差小于10°。

基于之前减速电场能量分析的设计与实验, 针对实验中出现的绝缘性不好、能量分辨率不高等问题, 对原结构进行了改进与仿真分析, 以更好地实现行波管电子枪电子注及注波互作用后电子注参数的精确测量和分析, 为行波管的设计、性能改进和研制提供参考。该可控聚焦型减速场能量分析器结构将高压圆筒与减速栅网进行电气绝缘隔离, 并在二者之间设置一个可控的小电压, 产生的第二个静电透镜对发散的电子注产生加速会聚的作用, 以削弱在第一个透镜聚焦作用的薄弱区域空间电荷效应及电子注发射角等因素对注发散的影响, 调整粒子轨迹倾斜度和分辨率。同时, 整体结构在不影响测试精度的情况下向小型化和轻型化发展。应用CST粒子工作室对不同粒子界面处粒子分布及整体场结构进行模拟, 然后用Matlab软件进行数据处理并导出关键参数。着重分析结构性能的优化和提升在分辨率及半峰值全宽度等参数上的体现。结果表明该能量分析器适用于几keV到10 keV的强流电子注的测量。

设计了MV级小型重复频率Marx发生器, 简化了发生器充放电回路, 减小了能量损失；分析了隔离电感变化时对发生器输出脉冲电压波形的影响, 减小了隔离电感体积, 提高了隔离有效性；优化了开关腔体结构, 实现了间距连续可调, 且受外围结构的变化或振动影响, 13个开关间隙置于同一垂线上, 火花放电时产生的紫外线或射线相互照射, 加速了开关导通, 减小了Marx发生器输出电压抖动。塑壳电容降压使用, 提高了发生器的可靠性；通过Pspice模拟和三维静电场分析, 实现了发生器小型化, 整个Marx发生器放置在一个密封纯净SF6气体的金属圆筒内, 体积小于0.25 m3。优化设计和实验研究, 发生器在高阻负载上输出峰值1.02 MV、前沿约30 ns的高压脉冲, 发生器储能290 J, 电压幅度抖动约10%, 前沿抖动小于10 ns, 可实现重复频率20 Hz稳定运行。

给出了一种十字交叉型TE□10-TE○01宽带模式转换器的设计原理, 同时完成了一套W波段低损耗输入耦合系统的设计方案。根据该设计方案在电磁模拟软件HFSS中建立三维模型进行优化仿真。得到了衰减为0.14 dB、最大驻波比为1.388、带宽为10 GHz的高性能TE□10-TE○01宽带模式转换器。同时计算得到整套传输系统的衰减小于1 dB, 远小于采用矩形波导TE10模式的衰减(约15 dB), 大大提高了传输效率, 降低了能量损耗。实际加工得到了一对模式转换器, 经测试可得其衰减为1 dB左右, 整套系统的衰减约为3 dB, 与矩形波导(衰减约为15 dB)相比, 有了很大的提高。

结合低磁场返波管振荡器和虚阴极振荡器的优点, 设计了一个具有较高效率的虚阴极振荡器, 通过添加半反射腔, 使虚阴极在由阳极箔、波导和半反射腔组成的准谐振腔内形成, 实现器件的高效率、高功率运行。当电子能量和束流分别为480 keV和23 kA时, 采用2.5维粒子模拟(PIC)程序模拟得到频率为3.7 GHz、功率为2.6 GW的微波输出, 器件束波转换效率约为23%。

为了研究高功率微波对平行柱体阵列的辐照特性, 提出一种分析有限长柱体阵列散射特性的三维感应场率法。基于矩量法分析柱体的散射场, 建立了有限长柱体的三维感应场率模型, 并反推出产生散射场的等效辐射电流。借鉴细线天线的阻抗分布规律, 推导出柱体不同位置的分布电流, 构成以柱体长度、半径以及观察角度为参数的感应场率矩阵。基于此, 实现不同间距和长度的三根平行柱体的散射分析, 并将计算结果与矩量法进行对比验证。结果表明, 采用三维感应场率方法, 只需计算单根柱体的感应场率矩阵, 即可得出不同间距、不同长度柱体阵列的散射场, 验证了三维感应场率法分析柱体阵列辐照特性的可行性。

为减小X波段星载脉冲行波管的热子功率, 对阴极热子组件结构进行了优化设计, 利用ANSYS有限元软件对该阴极热子组件结构进行了热分析, 得到结构的稳态温度场分布、阴极温度瞬态解以及加热功率与阴极温度的关系, 并与实测结果进行对比, 对比结果表明, 阴极温度模拟与实验结果误差在1.3%以内, 说明了所用模型和方法的可行性。在此基础上通过研究阴极支持筒不同开槽宽度、壁厚及材料下热子加热功率-阴极温度关系, 对阴极支持筒进行了优化。模拟结果显示, 优化后的阴极热子组件结构加热功率由8.2 W降到6.7 W。

本文推导了基于模式耦合理论的方程组, 用于加快和简化折叠波导器件中矩形过渡结构的设计过程。作为功率耦合结构的一个重要组成部分, 两种常用的结构将被考虑用来匹配折叠波导慢波结构的矩形波导TE10模式和标准输出矩形波导中的TE10模式。通过比较发现, 在同样的反射水平下, 锥形过渡结构比阶梯过渡结构长得多, 但同时前者却自然具有更快的带宽和对结构误差不敏感的特性。作为算例, 设计了220 GHz折叠波导返波管中可能用到的阶梯过渡结构和锥形过渡结构, 并进行了误差分析。设计过程中用到的理论方法最终用数值模拟的方法进行了验证, 取得了很好的一致性。基于该高精度理论方法的设计耗时不过几分钟。

针对亚毫米波混频二极管管对电路模型不够精确的问题, 采用场路结合协同分析, 将进出二极管的频率信号分类处理, 建立了一种应用于亚毫米波分谐波混频器电路的反向并联二极管对精确电路模型。基于获取的管对精确电路模型, 建立了全局性的分谐波混频器电路的集总元件等效电路模型, 设计并实现了一款183 GHz分谐波混频器。测试结果表明混频器在本振频率为92 GHz、功率为2 mW, 射频频率176～192 GHz范围内, 双边带变频损耗小于6.8 dB, 等效噪声温度小于800 K, 在182 GHz测得最小双边带变频损耗为4.9 dB, 与仿真数据吻合较好。

二维太赫兹探测成像适用于以太赫兹波作为探测波的安全检查和质量控制等方面。为实现大视场的二维太赫兹探测成像光学系统设计, 根据匹兹万条件, 分析了光学三反系统面型, 并提出了一种反远距离轴三反结构, 设计了视场角为20°×20°, 焦距为70 mm, F数为3.5的离轴三反光学系统。设计结果表明, 该光学系统调制传递函数接近衍射极限, 各个视场的点列图均方根半径均远小于艾里斑半径, 具有良好的成像质量, 满足设计要求。

设计了一种用于减缓高超声速飞行器通信中断的、中心频率为1.575 GHz、一体化GPS磁窗天线, 并开展了静态验证实验。设计的磁窗天线由贴片微带天线和永磁体一体化组成, 结构尺寸为100 mm × 100 mm × 75 mm, 并设计了防护结构。磁窗天线的贴片微带天线不会对永磁体磁场产生影响, 而永磁体也不会改变贴片微带天线谐振频率；设计的磁场防护装置对天线轴向的磁场强度没有减弱, 对非传播方向完全屏蔽, 起到了保护作用。针对厚度为25.5 mm、电子密度为6×1010～1×1011 cm-3的等离子体, 设计的磁窗天线能将1.575 GHz电磁波透射系数从-19～-23.5 dB提高到-11～-16 dB。研究结果表明: 设计的一体化GPS磁窗天线能够一定程度减缓电子密度为6×1010～1×1011cm-3的等离子体对1.575 GHz电磁波通信影响, 且实现了磁窗天线的小型化, 并提高了安全性。

根据Stevenson等效电路法设计了两个X波段低副瓣波导缝隙阵列天线。通过建立多个缝隙时的谐振长度提取模型, 计算了存在缝隙间互耦时的谐振长度。两个阵列天线测试结果和仿真结果吻合良好, 线阵中心频率实测增益为17.83 dB, 其仿真结果为18.2 dB, 实测副瓣为-28.12 dB, 其仿真结果为-29.97 dB；平面阵列中心频率实测增益为27 dB, 其仿真结果为27.9 dB, 实测H面副瓣为-27.2 dB, 其仿真结果为-29.9 dB, 实测E面副瓣为-22 dB, 其仿真结果为-22 dB。

传输线等效法(TLM)是一种常用的开孔腔屏蔽系数快速计算方法, 在孔缝耦合系数的计算中考虑了孔缝处的场模式, 提高了TLM算法在高频段计算屏蔽系数(SE)的准确性。继而将TLM算法推广到开孔双金属腔屏蔽系数的计算, 通过将外腔体中任意位置的电压等效为内孔缝处的辐射电压源, 计算得到内腔体中任意位置上的屏蔽系数, 解决了已有文献中方法的不足。该算法计算结果与CST仿真结果吻合较好。

正交电磁场中粒子的运动轨迹在拐点处按指数规律变化, 使不同质量离子的轨迹有明显区别, 由此可创建新的电磁核素分离法。从牛顿运动方程出发, 基于单粒子轨道法阐述被分离核素在正交电磁场中的运动规律, 重点找出轨迹的拐点。给出了多质量粒子束在正交电磁场中的质量聚焦特性, 以Li离子为例, 应用MATLAB模拟粒子束的运动轨迹, 结果表明正交电磁场中可实现多质量束流的质量分离。总结出粒子轨迹方程的特点, 为多质量束流分离结构的工程化实现提供参数。研究成果可应用到质量分离器、质谱分析仪及材料提纯等装置的研制中, 同时对于特殊位形电磁场控制多质量束流等相关领域的研究亦有一定的参考价值。

研制了一种用于测量强流脉冲电子束束流均匀性的微型法拉第筒阵列, 其直径为22 mm, 由5个微型法拉第筒组成, 最大可测束流密度为38 A/mm2。利用该系统测量了二极管阳极靶面的束流密度, 得到了阳极靶面束流均匀性的分布情况。结果显示, 阳极靶面中心处束流密度高于靶面其他位置, 靶面束流存在弱箍缩, 束流局部均匀, 大面积不均匀, 束流密度呈径向分布。该结果与理论预期和仿真计算符合较好。

为了优化20 cm离子推力器放电室内部推进剂供气方式, 研究了在不发生气体放电时, 推力器阳极和主阴极供气接口处的流体速度和压强, 并以此开展推力器放电室内部的流场计算。结果表明: 采用单阳极供气管方式, 阳极出口处压强为4~158 Pa, 气流出口速度为0.1~47 m/s；阴极小孔出口处的压强约为33.1 Pa, 出口速度约为12 m/s；考虑真空系统的返流作用时, 单阳极供气管方式下放电室内部压强为0.001~0.4 Pa, 大部分区域Xe原子数密度为(0.2~3)×1018/m3, 在靠近栅极的部分区域数密度达到9×1019/m3左右；在增加阳极组件的供气管数量后, 阳极的气体出口速度为18~40 m/s, 放电室压强为0.03~0.1 Pa, 大部分区域Xe原子数密度为(0.72~2.4)×1019/m3, 靠近阳极与主阴极进气端的小部分区域原子数密度约2×1017/m3, 且放电室内部原子密度整体分布较为均匀。

针对传统的X射线CT系统因采用积分探测器难于区分材质细微差别的关键技术问题, 基于MARS X射线能谱CT系统, 开展了彩色CT成像技术研究。研究结果表明, 对被碘溶液腐蚀的橡胶管和注射有新型造影剂(金纳米微粒)的小老鼠进行多个X射线能量段的CT断层扫描, 提取和量化不同能量范围橡胶管投影数据和小老鼠的CT图像, 重建出橡胶管彩色投影图像和小老鼠胸腔彩色CT图像, 展现了橡胶管内部复杂结构及金纳米微粒主要集中于小老鼠胸腔上部血管的信息, 显示了X射线能谱CT刻画物质信息的细微差别能力和呈现物质不同组成成分的能力。

抗干涉齿轮集(CMG, Counter-Meshing Gears)机构是一种可用于确保要害系统安全性的机械组合锁的密码鉴别机构。对于N个“A”和N个“B”任意组合的二元解锁符号序列, 如何用最小、固定的齿轮层数C和齿轮分度数D实现相应CMG机构密码鉴别齿牙的二元装定编码, 是具有重要实用背景的CMG机构最优归一化编码问题。借助此前报道的CMG机构分类方法、二维迷宫映射图、关键陷阱格点(CTG, Critical Route Grid)的三色循环着色编码方法等工具, 系统论述了CMG机构最优归一化编码的理论与方法。给出了两种可选的编码方法, 及每种方法最小编码空间需求(用C×D表征)和编码算法。根据编码空间和解锁符号序列的字长, 定义了表征CMG机构编码效率的优值。利用这个物理概念清晰的优值比较两种可选的最优归一化编码方法, 得到编码空间为C=3, D=N+2的第一类CMG机构是首选方法的结论。对于第一类CMG机构, 最优归一化编码与先前报道的最少齿轮层数的优化编码并无不同, 两者都需要最小C=3, D=N+2的编码空间, 且CTG三色循环着色编码方法同样适用。应用CTG三色循环着色编码方法会在校验二维迷宫映射图中留下一个显著的指纹特征, 全部CTG会被循环有规律地分配到仅三个颜色集上, 也即设定的用于误码锁定的A-B复合齿轮之间的干涉将交替发生在仅三层密码齿轮上。

由中北大学研制的微机电系统(MEMS)矢量水听器具有小型化、低频性能好、灵敏度高、指向性好、价格低等特点, 但目前该水听器对该低频水声信号的低频探测能力不够, 所以进一步提高其灵敏度对水听器的未来的发展至关重要。在声学研究的基础上, 提出了中性浮力微结构并确定其参数, 该结构加大了外力的有效作用面积, 从而提高水听器的灵敏度, 采用ANSYS有限元对水听器性能进行仿真, 为了验证其可靠性, 在驻波场测试水听器的性能。结果表明, 该水听器的灵敏度-175 dB, 频响范围为20~500 Hz, 满足对远距离船舶辐射噪声的探测要求, 灵敏度响应曲线的起伏在±1.5 dB以内, 具有良好的“8”字型指向性, 凹点深度为48.8 dB。

研究爆轰试验高速摄影中, 闪光灯和摄影机快门失灵引起试验失败问题, 提出对试验操控装置和闪光灯电源改进措施。首先, 在实验操控上增加防止仅雷管起爆的逻辑控制, 并采用集中控制, 分布检测设计；其次, 在闪光氙灯电源中, 采用伪火花开关和多节LC(电感-电容)脉冲形成线技术, 解决氙灯存在的自闪、不引燃和光强不均。此外, 还解决了装置研制中遇到的电磁干扰、同步引燃等问题。通过改进, 有效地防止了爆轰试验中高速摄影光学影像丢失情况和底片曝光不均匀现象, 介绍了主要元件、线路和系统、实验结果及研制过程。

设计了基于Blumlein 脉冲成形网络(PFN)的紧凑型长脉冲功率模块。该模块将两路阻抗各为20 Ω的Blumlein 脉冲形成网络对称连接于LTD的初级绕组上, 并采用同一个气体开关驱动, 以保证两路PFN工作同步。PFN采用直角弯折“L”型结构, 这种结构既保证了PFN与开关连接紧凑, 又将模块横向尺寸缩减至最短, 且对输出脉冲波形影响不大。实验结果表明, 研制的长脉冲功率模块在10 Ω负载上输出脉冲幅值约为135 kV, 半高宽约为180 ns, 前沿约为50 ns, 平顶约为100 ns, 重复脉冲频率可达到25 Hz。

采用钒掺杂半绝缘4H-SiC衬底, 利用磁控溅射在硅衬底上制备了Ni/Au金属电极, 并封装加工成同面型横向电极结构SiC光导开关, 研究了不同激光触发能量对光导开关光电响应及导通电阻的影响。用波长532 nm的激光作为触发源, 当激光触发能量从26.7 mJ增加到43.9 mJ时, 光导开关的导通电阻从295 Ω降低到197 Ω。利用复合理论推导出激光触发时导带中载流子浓度随时间的变化规律, 并利用MATLAB模拟计算了不同触发能量下开关的导通电阻, 得到了与实验较一致的结果。在此基础上, 提出了降低开关导通电阻的两种途径。

堵驻状态下, 单级同步感应线圈炮(SSICG)的电枢位置固定, 电枢与线圈间的互感和互感梯度保持不变, 且电磁力与线圈电流平方存在一定的线性关系。分别利用Matlab和Ansoft软件建立了SSICG电流丝等效电路模型以及有限元模型, 对不同放电电压下的堵驻电磁力进行了仿真计算。最后利用实验室设计生产的SSICG样机对堵驻电磁力进行了测量, 试验数据与仿真结果吻合较好, 验证了电磁力与线圈电流平方的线性关系, 为SSICG动态发射提供了试验基础。

研制了一台输出电压100 kV的重复频率快前沿触发器, 该触发器基于内嵌Tesla变压器的单筒脉冲形成线和气体开关技术, 具有抖动低、结构紧凑、运行可靠等特点。理论分析了影响Tesla型触发器输出脉冲时间抖动的因素, 提出了降低抖动的措施, 进行了Tesla变压器的理论设计和数值模拟, 并开展了实验研究。获得的触发器输出参数为: 输出电压100 kV(40 Ω匹配阻抗), 半高宽4 ns, 前沿0.5 ns, 重复频率50 Hz, 抖动小于10 ns。

采用Marx发生器结合水介质同轴线设计了高压脉冲功率源, 在X射线二极管负载上可产生数 MV高压输出。通过电压波过程分析, 给出了在负载上获得最大电压输出条件下的形成线、传输线的阻抗设计原则。通过集中参数电路模型分析, 给出了一定预脉冲幅值下形成线、传输线电长度及中储设计原则。结合水介质正极性耐压Martin经验公式进行绝缘设计, 二极管采用径向均压绝缘堆结构, 给出了整个装置初步方案设计。基于Pspice的全系统电路模拟表明: 当中储运行电压为2.6 MV时, 对3 Ω形成线充电电压为3.3 MV, 并最终在40 Ω负载上获得4 MV电压输出, 且充电过程中负载脉冲幅值约为形成线充电电压的1.2%, 在现有条件下, 该平台设计指标能够满足实验预期。

固体电枢电磁轨道发射中, 膛内枢轨滑动电接触的电热特性关系到滑动界面的接触状态、电流传导品质和界面能量耗散, 制约着系统效率和轨道寿命。设计开展了多组不同电流线密度的多发重复试验, 通过采集电气试验数据进行迭代计算, 得到了滑动接触电阻和界面焦耳热耗散功率的动态变化规律, 分析了沉积物随重复发射的演变及电流线密度对电热特性的影响规律, 并结合试验后轨道表面熔蚀沉积检测, 讨论了滑动电接触界面的演变过程。结果表明: 接触电阻稳定临界点和焦耳热耗散功率峰值点都出现在脉冲电流下降沿, 接触电阻稳定值量级为10-2mΩ, 焦耳热功率峰值幅值可达10-1MW；炮口速度随重复次数的增加而降低并趋于稳定, 多次重复发射对滑动接触电阻和焦耳热功率较小的影响表明沉积物在发射中再次熔融并对电接触起积极作用；而即使输入能量一致, 电流线密度的变化也显著影响了界面焦耳热的生成。

基于超导直线加速器的X射线自由电子激光(XFEL)是自由电子激光领域未来发展的一个重要方向。介绍了国际上Euro-XFEL及LCLS-II等超导XFEL装置的设计建造现状。在此基础上提出基于一台7 GeV超导直线加速器的超导XFEL初步方案, 给出主要设计参数, 并讨论实现100~1000 GW量级峰值输出功率的技术路线, 包括提高峰值流强、采用波荡器磁场渐变技术等。

为了实现高度准直同时较好地保留飞层界面信息, 针对高能闪光照相实验中常用的准直技术, 改进了设计方法, 以法国实验客体(FTO)为例, 利用蒙特卡罗程序对光子电子耦合输运过程进行数值模拟实验, 验证了所提出的准直器的性能, 对采用该准直器技术下的模拟照相结果进行了准直器光程扣除方法研究, 结果表明: 改进的准直器将客体芯部区域的散射照射量降低99.8%, 接收平面处的客体信号动态范围降低99.7%, 同时在图像中完整地保留了客体外界面信息；对准直器轴向分层照相的方法可以获得误差小于0.1的客体光程。

基于负电子亲和势GaAs光阴极直流高压注入器, 设计并搭建了国内首套光阴极量子效率分布测量系统。该系统利用单透镜实现逐点扫描, 并采用LabVIEW进行控制和数据读写。实验表明, 该系统单点采样时间小于2.3 s, 分辨率优于0.32 mm。初步测量了GaAs阴极的量子效率分布, 观察到量子效率分布及其衰减的不均匀性, 量子效率较高区域的衰减速率更低。

环-靶站输运线(RTBT)末端的准直器是中国散裂中子源(CSNS)工程中的关键部件之一, 因其靠近靶站, 辐射剂量大, 维护困难, 故设计可靠性极为重要。根据准直器的工作原理, 及CSNS物理设计要求, 对比国外同类加速器的设计经验, 设计完成准直器设备。在设计过程中兼顾了热沉积、功率损耗和材料性能等方面的严格要求, 并逐一阐述了具体方案。利用Bethe-Bloch公式计算与SRIM软件模拟的结果比较, 确定了模拟工具和模拟方法的可靠性, 根据ANSYS有限元软件模拟的结果, 验证了准直器结构设计的可靠性。

为充分了解用于金刚石放大光阴极电子枪中的金刚石薄膜对初级电子束流强的放大特性及与其他因素的关系, 利用VSIM软件的PIC模块对金刚石放大电子束流强的物理特性进行了数值模拟, 结果给出了电子束流强的最大放大倍数与初级电子束能量、金刚石薄膜内部场强及金刚石薄膜厚度等因素的定量关系。模拟结果显示, 选择合适的初级电子束能量和金刚石薄膜内部场强, 电子束流强的最大放大倍数可以达到两个数量级。

采用蒙特卡罗方法, 通过MCNP5程序对实验大厅内不同散射体产生的散射贡献及散射中子分布进行了计算。结果表明, 散射中子强度随离开临界中子源距离先呈减小趋势, 在接近大厅墙壁处则出现增加, 呈现明显的“W”形状。同时设计并验证了模拟结果的正确性, 结果表明模拟计算与实验测量结果的趋势相同, 证明了计算结果的可靠性。

采用脉冲激光沉积法制备了VO2薄膜, 应用X射线衍射和X射线光电子能谱分析表明样品为多晶薄膜。采用泵浦-探针方法研究了二氧化钒薄膜的相变特性, 实验结果表明当激光重复频率为160 Hz时, 样品最小相变响应为12 ns, 相变恢复时间与激光能量按照自然指数关系变化。仿真结果表明当激光能量一定时, 二氧化钒薄膜相变恢复时间与衬底材料的热导率、热扩散系数有关。

通过控制前驱体中乙醇与水的体积比, 采用溶剂热法得到不同形貌的Bi2WO6纳米片, 探讨了Bi2WO6形貌与光致发光性能之间的关系。Bi2WO6的结晶度、纳米片的棱长以及片层间距随醇水比增大而逐渐提高, 当醇水比为1∶1时, Bi2WO6纳米片的棱长、片层间距和比表面积(BET)最大, 表现出优异的光致发光性能；而在醇水比大于1∶1时, 纳米片的棱长、片层间距和BET随之降低, 光致发光性能继而减弱。以上表明醇水比为1∶1时, 复配乙醇与水协同修饰Bi2WO6纳米片形貌的效果最佳, BET最大, 从而促进其光致发光性能的改善。

采用国内自主开发的高分辨率显微CT设备, 对岩芯样本进行图像采集, 运用数字图像分析方法获得图像中的岩芯孔隙目标, 并以此为基础重建三维模型。然后基于分形理论, 分别从二维图像和重建的三维模型角度计算孔隙的分形维数。最后, 再采用基于多孔介质的分形模型对岩芯孔隙分形特征进行验证, 得出岩芯的二维分形维数和三维分形维数之间的差值均值为1.000 3, 最大偏差为0.004, 很好地满足多孔介质分形模型中关于二维和三维分形维数的关系。