报导了一种采用预啁啾管理放大技术实现的百飞秒级掺镱光纤激光器系统。该系统首先利用非线性偏振旋转技术搭建锁模种子激光, 实现重复频率为82.3 MHz、压缩后脉宽接近180 fs的近线性啁啾稳定脉冲序列。种子脉冲通过预放大级和预啁啾管理放大级后获得了平均功率为12 W、压缩后脉宽低于100 fs的脉冲。经过预啁啾管理放大级的压缩后脉冲宽度明显优于种子激光的压缩后脉冲宽度。

为了满足片状激光放大器对泵浦功率密度的要求, 设计并加工了高缩束比的耦合系统。根据LD的发光特性, 将输出功率为80 kW的LD阵列进行拟球面排列, 采用正交柱面透镜配合空心导光管进行泵浦耦合, 将发光面积为330 mm×85 mm的泵浦光, 在输出口处压缩至18 mm×18 mm的口径, 耦合系统的缩束比高达86∶1。模拟计算表明, 该耦合系统的耦合效率对导光管反射板的反射率依赖性较低。实验测量该耦合系统的效率为84.2%, 输出口处泵浦光场快慢轴的调制度分别为130和1.18, 且脱离耦合系统后的泵浦光传输8.5 mm后, 依然可以保持泵浦光场的轮廓。该耦合系统在效率、泵浦场均匀性、传输性等方面均满足端面泵浦的片状放大器对泵浦耦合系统的要求。

提出了高斯差分滤波的多尺度损伤提取方法和流程, 对大口径光学元件的损伤图像进行了处理, 结果表明, 该方法对微弱信号与强信号混杂有很好适应性, 且能有效解决低信噪比光学元件损伤图像中的损伤提取难题, 对于分辨率125 μm、口径400 mm×400 mm的光学元件损伤图像, 该方法可以100％提取损伤图像中尺寸在50 μm以上的所有损伤的种子, 满足了大型激光装置安全运行的需要。

为改进用于X射线聚焦的二值化Gabor波带片目前所存在的结构复杂、不利于加工制作的问题, 在不改变梯形透过率函数的前提下, 通过将传统的梯形孔基元变为平行四边形基元应用于波带片的设计之中, 提出了一种聚焦效率更高的具有准单级聚焦特性的波带片。理论推导显示, 该波带片除了像Fresnel波带片一样能够消除偶数级的焦点外, 还可以消除3q级(q为整数)的焦点, 1/m4(m为焦点级数)的效率衰减系数也使得高级衍射得到了很好的抑制。MATLAB数值模拟的结果证明, 该波带片的特性不仅满足以上推论, 还具有比Fresnel波带片和环带扇形基元阵列波带片更低的背景噪声, 可以看作是一种准单级聚焦的新型波带片。此外, 在同一波带内, 这种基于平行四边形基元孔的波带片设计的透光区始终保持各处的径向宽度为该波带的一半, 且扇区结构简单一致, 能够降低不少加工难度, 易于推广应用。

介绍了一种减少半导体激光器阵列光栅外腔光谱合束(SBC)整体光谱展宽的方法, 通过加入一组变形棱镜对传统光谱合束结构进行了改善。变形棱镜的作用实现减小半导体激光线阵输出光斑宽度, 减小入射到光栅上的入射角度进而减小整体的光谱线宽。采用发光单元宽度为100 μm、周期为500 μm、由19个发光单元组成的常规CM-Bar条进行光栅-外腔光谱合束技术的理论推导及软件模拟, 得到了光谱线宽为3.2 nm。与通过增大柱透镜焦距来减小光谱线宽的方法相比, 此方法的优势是保证了整体光谱合束的整体结构在500 mm以内, 使得各个发光单元有足够反馈量, 抑制光束间串扰, 保证合束后的光束质量和效率。

利用有限时域差分方法, 对核壳结构进行了模拟研究, 得到内核折射率以及内核半径对聚焦光斑纳米喷流特性的影响。研究表明: 在内核半径不变的情况下, 当内核相对折射率较低时, 入射光能量主要集中在内核与外壳层交界区域, 此时光波能量有很大一部分处于非聚焦的旁瓣中; 当内核折射率超过外层, 可以在核壳结构背光面形成双增强点; 在内核相对折射率不变的情况下, 通过改变内核半径实现了对内、外核聚焦点位置的主动控制。

基于金属电子气模型, 进行了温度、压力对Au反射率变化影响的研究与分析。利用DAC装置开展了压力对Au反射率变化测量实验, 以及激光加热的动态温升条件下温度对Au反射率变化测量实验, 获得了探测光束波长为488 nm条件下, 温度(室温至350 ℃)和压力(11 GPa范围内)对Au反射特性影响的实验结果。结果表明: 在11 GPa压力范围内, 与温度因素相比, 压力对Au的反射率变化影响可忽略; Au对488 nm波长激光的反射率变化趋势为单调递增, 变化幅值达约10%, 且具有反射率与温度的一一对应特性。通过动高压加载下材料温度瞬态测量要求分析, 认为基于Au在488 nm波长下的反射变化特性, 可建立一种适用于动高压加载下低温段(低于1000 K)的瞬态测温方法, 用于解决材料动高压领域的瞬态测温技术难点。

采用正态分布模型来描述传播路径上功率谱幂值的非均匀性, 利用功率谱反演法构建了基于等效结构常数的非Kolmogorov湍流相位屏, 并利用多重相位屏法进行了高斯光束在均匀各向同性湍流与非Kolmogorov湍流两种模型下的传输模拟。通过观察模拟光束的光强均匀度、光束漂移以及闪烁指数等,研究了非Kolmogorov湍流对光束传输模拟的影响。结果发现, 当光束通过单个非Kolmogorov相位屏时, 光强最大值与光强均匀度随着幂值先增大后减小, 光束漂移随幂值在一定范围内单调变化。当光束通过多重相位屏时, 发现模拟光束的光强闪烁指数会受到相位屏数量以及湍流模型的影响, 当相位屏数量较多时, 均匀各向同性湍流模型下模拟得到的光强闪烁指数会大于非K湍流模型下的结果, 且非K湍流模拟的光束漂移与均匀各项同性湍流模拟得到的光束漂移的相对误差会随着相位屏数量增多而趋于0。

对三维重建中的实时性问题进行了研究, 提出一种新的结构光双频测量方法。首先, 投影光栅将基频正弦图案和高频正弦图案结合在一起, 并保留一张图片作为直流分量, 高频图案用于得出鲁棒性较好的高频相位信息, 基频图案得出基频相位, 并对高频相位进行展开, 共5幅图片。其次, 用相应的解码方法计算每一像素点的相位, 滤除噪声干扰, 得到照相机与投影仪的对应关系。最后, 根据相位计算出每一采样点的三维坐标, 实现三维重建。实验结果表明: 计算得到的相位误差的方差为5.559 1×10-6 rad2, 扫描时间为0.156 3 s, 在保证实时性的同时有相对较高的精度。对表面深度变化复杂的物体进行三维测量, 验证方法的可行性。相比较于传统的双频测量方法, 本方法将投影图片数量减小到5幅的同时保持了较好的精度, 可应用于扫描动态物体。

在神光Ⅱ升级装置上开展了首轮激光加速质子对间接驱动快点火靶内爆过程的照相实验研究。通过激光与靶参数的优化, 获得了能量高于18 MeV的质子束。通过静态客体的照相, 获得了优于20 μm的高空间分辨网格图像, 为开展时间分辨的啁啾质子照相奠定了基础。开展了质子动态照相实验, 获得了内爆压缩晚期的质子照相图像。实验发现内爆区域质子照相图像存在大量排空现象。内爆压缩区域不足以阻挡如此大范围质子束, 证明了其中存在电磁场使得质子向外排开。动态照相的质子能量较低, 分析是ns激光打靶过程产生的X射线及等离子体对质子加速存在影响。后续实验中需要进一步优化靶的屏蔽设计。

钢混结构分离式有限元建模方法由于考虑了钢筋的实际分布, 其计算精度较高, 但建模过程复杂繁琐。开展了基于动刚度等效的钢混结构简化建模研究, 该方法将钢筋和混凝土考虑为一种等效材料。研究中首先以典型钢混组合结构为例, 以等效模型与分离式模型的模态特性等效为目标, 建立了分部件的动刚度等效模型, 然后将各部件等效模型组合成整体结构等效模型, 数值仿真结果显示在相同载荷作用下, 整体参考模型与整体等效模型的响应分布非常接近, 而等效模型的规模远小于参考模型, 说明了该等效建模方式的有效性。进一步将该等效建模方法应用于神光Ⅲ主机靶室钢混结构的动力学分析中, 并计算了该巨型光机结构等效模型在实测基础加速度激励下的随机振动响应, 靶球上各方向的响应实测结果与计算结果较为吻合。所采用的动刚度等效建模方法可应用在巨型光机结构动力学稳定性的进一步研究中。

对流层风廓线雷达对阵列天线的要求是结构简单, 在满足高增益条件下, 低副瓣是其关键指标。针对该应用背景, 提出了一种辐射单元长度可变的同轴共线天线 (COCO)模型。该天线模型利用不同数量辐射节COCO线源组阵, 其口径幅度为修正Taylor分布。在该模型基础上, 采用数值计算和优化, COCO阵列天线增益为25.7 dB, E面副瓣为-23 dB, H面副瓣为-22.3 dB。该天线阵样品的测试表明, 所设计的低副瓣COCO阵列天线完全达到了设计目标。

基于器件物理模拟分析法研究PIN限幅器二极管的微波脉冲热效应, 利用Sentaurus-TCAD仿真器建立了PIN二极管二维多物理场仿真模型, 研究了在5.3, 7.5, 9.4 GHz的微波脉冲作用下, 不同Ⅰ层厚度的二极管模型的峰值温度变化。仿真结果表明: Ⅰ层厚度对PIN二极管微波脉冲热效应的影响分两个阶段, 拐点前厚度增加, 峰值温度提高, 拐点后厚度增加峰值温度降低; 一定范围内微波脉冲频率的变化对“拐点”影响不明显。

为实现相控阵天线波控系统小型化、芯片化的目的, 设计了一种基于Avalon总线的CAN控制器IP核。参照CAN2.0B协议规范, 给出了CAN控制器IP核的功能结构, 利用Verilog硬件描述语言完成了控制器接口逻辑、位流处理器、位时序逻辑等模块设计, 并进行了设备驱动及应用软件开发。将设计的CAN控制器IP核、Nios II微处理器、多个单元相位控制器IP核等集成到FPGA中构成子阵级波束控制的SoPC系统。最后对CAN总线的通信性能进行了实验测试。结果表明: 设计的CAN控制器IP核能够在实际CAN网络中稳定可靠地收发数据。基于这种方式构建的系统, 扩展方便、可移植性高、具有较强的适应性, 也可用于高密度、紧凑型工业控制领域。

在相对论速调管放大器(RKA)的探究实验中, 多注RKA中电子束的打斑实验结果表明各注电子束的发射电流大小和横截面形状分布不一致甚至有很大差异影响了RKA的工作稳定性。通过粒子模拟软件对该问题进行相关仿真研究, 探究多注阴极几何尺寸分布不一致对发射电流分布的影响。仿真结果表明, 单注电子束阴极尺寸, 尤其是横向尺寸的差异是影响多注电流大小分布不一致的主要因素, 而且横向尺寸还将影响到多注电子束横向电子束形状, 该研究对多注RKA的实验研究与优化设计具有指导意义。

相位特性是目前制约多注相对论速调管放大器进一步拓展应用的关键参数之一, 为了有效提高器件输出微波相位的稳定性, 利用一维非线性理论对X波段强流多注速调管放大器开展了理论研究, 得到由强流脉冲特性引起的腔体杂频以及电子束运动速度变化率是造成输出微波相位波动的部分主要原因, 同时基于18注实心电子束构成的X波段多注相对论速调管放大器开展了强流脉冲特性对输出微波频率和相位影响的数值计算, 最后利用粒子模拟手段对理论结果进行验证。理论和模拟结果一致表明: 强流脉冲的前沿和波动都将导致器件内实际工作频率的偏移, 并引起相位波动; 在脉冲前沿段, 脉冲前沿长度越短, 器件内实际工作频率偏移越大, 相位波动幅度越大; 在脉冲平顶段, 脉冲波动导致的频率偏移与电压变化率相关, 与电压的幅值无关, 而脉冲电压波动导致的输出微波相位波动由电压变化率及其变化幅度两者共同决定。

场线耦合问题是电磁兼容分析与电磁效应评估中的重要课题。经典场线耦合模型受限于准TEM波近似, 在较高频率时将导致不可接受的模型误差。传输线超理论(TLST)建立了高频场线耦合模型, 解决了经典场线耦合模型的困难。基于TLST介绍了非均匀多导体传输线的高频场线耦合模型, 提出了三种不同终端负载情况下对应边界条件的设置方法。最后通过具体算例对比了高频模型和经典模型以及全波分析计算结果, 证实了高频场线耦合模型的普遍适用性、边界条件设置的有效性和数值实现过程的准确性。

针对电磁波经孔缝耦合进入多端口微波混沌腔体的电磁辐射问题, 推导了孔缝随机耦合模型, 以预测单腔体各孔缝处耦合电压的统计特性; 并将该模型与电磁拓扑理论结合, 提出了一种复合计算方法——孔缝随机拓扑模型, 用于分析级联腔体的孔缝耦合电压和传输系数等电磁量的统计特性, 将该算法的计算结果与网络级联理论的计算结果进行对比, 验证了算法的正确性。该模型可成为分析复杂不规则混沌腔体的孔缝耦合问题以及混响室研究的有利工具。

为研究能量选择表面的防护性能,采用PIN二极管Spice模型,通过时域的场路协同仿真得到了能量选择表面(ESS)的瞬态响应波形。对影响插入损耗和防护效能的参数进行研究,优化结构参数,减小了尖峰泄漏。研究表明,双层ESS较单层ESS能够有效防护反向脉冲,同时增加单元金属条的长度能够减小脉冲尖峰泄露。通过强电磁脉冲辐照实验,验证了ESS小信号传输与强电磁脉冲防护的自适应防护能力,为强电磁脉冲的防护提供了可靠的方法。

“荧光-1”是一套分时放电的大电流脉冲功率实验装置,主要用于反场构形预加热磁化等离子体靶(FRC)形成的物理过程、高温高密度磁化等离子体约束特性等研究,未来可作为磁化靶聚变研究的等离子体注入器。主要介绍该实验装置的构成及其调试实验结果,并简要描述在该装置上开展的FRC等离子体靶初步物理实验进展。调试实验结果表明,“荧光-1”实验装置初始磁场、磁镜、气体电离、θ箍缩分系统的放电电流/磁场或感应电场可分别达到110 kA/0.3 T,10 kA/1.2 T,400 kA/0.25 kV/cm,1.7 MA/3.4 T。初步物理实验获得的FRC等离子体靶参数为: 靶分界面半径约4 cm、等离子体密度3.5×1016 cm-3、等离子体温度约200 eV、靶寿命约3 μs,同时清晰地观察到了FRC靶形成物理过程。分幅相机获取图像与二维磁流体程序计算图像基本吻合,验证了该装置的物理设计思路,也展示了该装置具备的物理实验能力。

设计了一种新型的适用于道路检测探地雷达的单周期脉冲发生器。该脉冲发生器包含驱动电路、阶跃恢复二极管(SRD)脉冲形成电路和脉冲整形电路三部分。驱动电路可以使TTL形式的触发脉冲变为电流更大的快前沿脉冲, 用来形成给后级电路的驱动脉冲; SRD脉冲产生电路选取渡越时间较小的阶跃恢复二极管结构, 通过对前级电路产生的驱动脉冲整形得到负极性高斯脉冲, 然后利用微带短路线、肖特基二极管和电容并联实现生成单周期脉冲和振铃抑制的功能, 提高超宽带天线辐射的效率以及测量信噪比。测量结果表明, 在1 MHz脉冲重复频率的情况下, 峰峰值最大为23 V, 脉冲半高宽为138 ps, 振铃水平为1.25%, 而当脉冲重复频率提高到5 MHz, 该脉冲发生器产生脉冲波形幅度和带宽基本没有太大变化。这些特征说明, 该脉冲发生器具有很高的频率稳定性, 且在高分辨率探测应用情景中将会有很好的表现。

为实现数字BPM时钟系统的锁相, 设计了一种基于锁相环同步原理的低抖动、低相位噪声的时钟同步系统。根据锁相环电路工作原理, 对数字BPM时钟同步系统的硬件及固件程序进行了设计, 实现了外部输入时钟信号与系统内部产生的主工作时钟信号的锁相, 并且时钟信号输出的频率及相位均可调整以满足后端ADC采样的要求。测试结果表明, 设计可以完成对一定频率范围内变化的外部输入时钟信号的锁相, 输出时钟信号抖动满足束流实验要求, 为数字BPM后续算法研究提供了基础。

提出了一种基于短半衰期核素平衡浓度求解燃耗的γ谱法。该方法通过将待测燃料在恒定中子通量条件下辐照一段时间, 使得短半衰期标识核素建立浓度平衡, 并基于核素平衡浓度与燃料中剩余235U含量之间的关系求解得到燃耗值。理论模拟结果与“LR-0”实验堆上的燃料辐照实验均表明, 当燃料经过短期辐照后, 短半衰期标识核素88Kr, 92Sr能在γ谱中出现明显可分辨的特征峰, 从而证实了88Kr, 92Sr作为燃耗测量的标识核素的可行性。模拟了不同实验条件下测量富集度为20%的乏燃料的燃耗情况, 实验表明标识核素88Kr, 92Sr与其相应的干扰核素的特征峰在相应能量段均可分辨出来, 且γ谱的测量宜选在乏燃料卸料冷却11 h内进行。最后通过88Kr, 92Sr计算获得了与理论值相吻合的燃耗值。相比于其他方法, 该方法测量燃耗不受辐照历史、燃料富集度、再次辐照前冷却时间的影响。

介绍了一种基于BF3正比计数管的宽量程脉冲中子探测技术。该技术采用多通道、组合式的BF3管阵列中子探测器组, 以适应产额变化范围较宽的脉冲中子测试场合, 并同时兼顾测量下限。基于该技术研制了一套BF3阵列中子探测系统并应用于脉冲中子源的测试, 实验结果表明, 该系统的脉冲中子测量范围可达5个数量级(56~8×106), 测量下限低、输出信号清晰, 证明了该技术的可行性和有效性。

金属型脉冲堆的反应性负反馈主要来自燃料的热膨胀。当脉冲堆爆发短周期脉冲时,由于燃料的热膨胀不能及时响应温度的变化,致使负反馈滞后,产生惯性效应。采用ANSYS程序计算了在突然热加载条件下的振荡特性,同时采用随机中子输运程序计算了平均关闭系数,然后把带有振荡特性的热反馈带入点堆动力学方程,采用数值方法求解得到了考虑惯性效应的裂变脉冲波形。计算结果与Godiva实验测量结果一致。采用的数值方法中,脉冲周期与振荡效应存在定量关系。由计算结果可知,脉冲周期短,惯性效应明显;脉冲周期越长,惯性效应的影响越小,金属型脉冲堆爆发脉冲时应尽量避免短周期脉冲。

为加速基于离散纵标方法(SN)的中子输运计算, 针对群内迭代进行研究并实现了分流再平衡(PCR)算法及基于区域分解的并行, 并在加速方程求解时进一步耦合了算术多重网格算法。并行PCR算法已集成至JSNT软件, 并针对临界和外源计算典型算例验证了算法的正确性和有效性。74亿自由度的国内某商业压水堆压力容器屏蔽计算中, JSNT迭代次数减少至原来的1/3以下, 总体计算时间减少至原来的1/2以下, 1024核并行效率达42.8%。

为了消除在激光诱导击穿光谱(LIBS)信号检测时等离子体中强的轫致电子辐射对光电倍增管和前置信号放大器造成的不良影响, 提高信号检测灵敏度, 设计了一种基于CR110的门控端窗光电倍增管并用于LIBS中的微弱信号检测。该门控光电倍增管与前置信号放大器组合运用既可以成功抑制激光等离子体中强的轫致电子辐射的背景干扰, 又可以进一步放大微弱的原子辐射信号, 提高光谱分析的灵敏度。用LIBS分析铝合金标样中的微量铬元素, 采用该门控光电倍增管时其检出限可以达到5.55 ppm, 与采用普通光电倍增管的相比改善了近6倍, 显示出该门控光电倍增管在时间分辨信号检测领域良好的应用效果。