随着氧碘化学激光器(COIL)输出功率的不断提高,传统的膜系设计已不能满足要求.在倍频膜系的设计基础上,优化设计出了激光45°入射时对1 315 nm和632.8 nm双波长高反(HR)并在1 315 nm处具有90°位相延迟的高反射镜,其基底材料为融石英,高折射率材料为ZrO₂,低折射率材料为SiO₂.然后,采用电子束蒸发手段制备了口径为200mm的高反射位相延迟镜.最后对该延迟镜的性能进行了测试,结果表明:对632.8 nm波长的反射率大于等于95.0%,对1 315 nm波长的反射率大于等于99.8%,位相延迟在90.235°～95.586°范围内.

针对在Z型管道中传输的高能量密度激光束受到的气体热效应问题,采用光波标量衍射方程计算光传输、N-S方程计算管道内流场,仿真计算了以不同的速度沿管道轴向吹入对激光能量无吸收的气体时,由于气流扰动对出射光束远场光斑质量的影响.结果表明,在采用纵向吹气减小气体热效应对光束传输的影响时,应尽可能采用大气量、低流速的方案,既有利于排空管道中的杂质气体,减小气体热效应,又有利于减小管道中流场密度分布的不均匀性,从而保证出射光束的质量.

着重讨论了不同参数对室内传输通道热晕效应的影响.数值计算的结果表明:对于理想光束,即使在10 kW的激光功率情况下,传输距离大于25 m,吸收系数大于0.013 km^-1时,就需要考虑室内传输通道热晕效应对光束质量的影响.随着吸收系数的增大,传输距离的加长,激光功率的提高,通道内热晕效应的影响越来越严重,应采取一定的措施来减小室内传输通道热晕效应.

利用平面激光诱导荧光(PLIF)技术,通过选择适合的OH自由基激励线,定量测量了甲烷-空气燃烧火焰的二维温度场分布.给出炉面中心上方火焰温度随离炉面高度的变化和距炉面12 mm高处沿炉面水平方向变化的实验测量结果并进行了讨论与分析.与利用相干反斯托克斯喇曼散射(CARS)技术进行测温的实验结果相比,该测量的相对不确定度优于5%.

利用分幅相机拍摄了不同实验条件下的XeF₂光解离波图像,反映了解离波的形成过程,获得了不同XeF₂初始浓度下光解离波半径、解离层厚度、发展速度随时间的变化曲线,分析了光解离波参数的时间、空间特性.结果表明,光解离波在目前实验条件下所达到的最大距离约3 cm,解离波发展速度最大达28km/s;XeF₂初始浓度越低解离波半径越大,发展速度越快,解离层厚度越厚.

用计算流体动力学(CFD)软件FLUENT,数值研究化学氧碘激光喷管形线,碘喷孔位置,副流入口压力,O₂(¹△)初始产额,水蒸汽含量以及稀释气体对平均小信号增益系数沿流动方向分布的影响;并对大连化学物理研究所超音速化学氧碘激光的两次实验进行数值模拟,计算结果显示平均小信号增益系数与实验测试的摩尔功率趋势一致.

考虑激光辐照下结构变形对双层板接触传热影响可以更真实地反映两板间的传热情况,通过实验和数值模拟分析了大气压力对接触传热的影响.结果表明:大气压力对接触热阻影响非常明显,当大气压力超过一定值后,双层板界面始终接触,后板中心的温升阶段成类抛物形状;当大气压力在某一范围内,大气压力与温度矩产生的靶板挠度相当,接触面时分时合,后板的温升阶段成振荡式类线性增加;当大气压力小于某一特定值时,后板温度有一突跃过程,通过适当的设计有可能观测到该现象.

利用Nd:YAG调Q单脉冲激光和自由脉冲激光对硬膜窄带干涉滤光片进行激光损伤阈值的测试,并且采用表面热透镜技术测量了滤光片的吸收率.实验发现:窄带干涉滤光片的吸收率和激光损伤阈值强烈依赖于辐照激光波长与窄带干涉滤光片通带的相对位置;在调Q单脉冲激光作用下,不同中心波长的滤光片损伤形貌存在明显的差别,而在自由脉冲激光作用下,各滤光片的损伤形貌则趋于相同,均表现为典型的热熔烧蚀破坏.根据实验结果,结合损伤形貌,通过驻波场理论对激光作用下滤光片内电场分布的分析与模拟,探讨了两种激光模式作用下滤光片的损伤特征和损伤机理的不同特点.

采用相屏近似处理方法对激光通过湍流大气的传输进行了数值模拟.从数值模拟的结果拟合出两个公式:一是通过湍流前后部分相干平顶高斯光束的束宽平方比随阶数、传输距离和湍流强度的变化关系式;一是通过湍流后的相干长度随初始光束相干长度、湍流相干长度的变化关系式.研究发现:部分相干平顶高斯光束分解为相互独立的厄米-高斯光束的叠加;相干性越差的光束受到湍流的影响程度就越小;湍流对光束传输的影响与光束自身相干特性对其传输的影响之间是不相关的.

X光转换材料在数字辐射成像系统中具有很重要的作用,它的效率对整个系统的量子探测效率起到决定性的作用.对CsI:Tl晶体在X光激发下的发光效率进行详细分析,根据X光在物质中的衰减和吸收规律,从理论上推导了其对X光转换效率的关系,并建立了利用CCD相机作接收系统时的图像数据的表达形式,表明该系统输出与入射X光照射量成线性关系;并在30 MeV射频加速器上进行了实验验证.

利用电荷收集法,在正(135 V)、负(-117 V)偏置和低真空背景(0.5 Pa)三种不同收集条件下,测量了用于等离子体断路开关的电缆等离子体枪产生的低温等离子体的密度和漂移速率,测量值分别为8.3×10¹⁴,1.2×10¹⁵,4.8×10¹⁴cm^-3;2.5,2.0 cm·μs^-1.测量结果表明:三种收集条件下测得的等离子体漂移速率相近;在相同测量点处,负偏置收集条件下测得的等离子体密度大于正偏置和低真空背景收集条件下的测量值,而低真空背景收集条件下的测量值最小.

主要研究了聚酰胺酸的合成和成膜,聚酰亚胺的热环化,柱腔充气靶的组装和检测,柱腔充气系统的研制,靶场装配和测量,采用准动态充气方式的充气工艺等.研究表明,在二胺和二酐按摩尔比1.01:1～1.02:1,反应温度0～5℃,反应时间2～3 h条件下,可以制备出厚度0.2～1.0 μm的聚酰亚胺薄膜;薄膜表面光洁度达0.3～0.4 nm,厚度起伏小于5%,薄膜厚度均匀性和表面光洁度都能满足充气靶端口膜的需要,可承受0.1 MPa的压力差;利用柱腔充气系统,可以实现打靶现场配气与充气,并准确控制和测量靶内的气压,测量的误差小于0.1%.

利用电子束热蒸发方法在K9玻璃基底上沉积氧化锆薄膜,并对其中一些样品用低能O₂⁺进行了后处理.采用表面热透镜技术测量薄膜样品表面弱吸收,采用显微镜观察样品离子后处理前后的显微缺陷密度.测试结果表明:经离子后处理样品表面的缺陷密度从18.6/mm²降低到6.2/mm²,且其激光损伤阈值从15.9 J/cm²提高到23.1 J/cm²,样品的平均吸收率从处理前的1.147×10^-4降低到处理后的9.56×10^-5.通过对处理前后样品的表面微缺陷密度、吸收率及损伤形貌等的分析发现，离子后处理可以降低薄膜的显微缺陷和亚显微缺陷,从而降低薄膜的平均吸收率,同时增强了薄膜与基底的结合力,提高了薄膜的激光损伤阈值.

利用电子束蒸发方法在Yb:YAG晶体和熔融石英衬底上沉积单层ZrO₂薄膜,分别在673 K和1 073 K的温度下经过12 h退火以后,通过X射线衍射(XRD)分析了薄膜晶相,计算了薄膜的晶粒尺寸;利用表面热透镜技术获得了薄膜的吸收;测量了退火后薄膜的激光损伤阈值.实验结果表明:两种衬底上的薄膜结构受到退火温度和衬底表面结构的影响,高温退火有利于单斜相的形成,含单斜相的ZrO₂薄膜具有较高的激光损伤阈值,而由于衬底的吸收,Yb:YAG晶体上薄膜的损伤阈值远小于石英衬底上薄膜的损伤阈值.

在室温下采用电子束蒸发的办法制备二氧化锆(ZrO₂)薄膜.借助紫外分光光度计、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)等方法研究了薄膜的透射率和表面结构.同时研究了不同退火温度对薄膜物理性质的影响.在退火温度700,900,1 050℃时显微镜图像没有明显差别.随着退火温度的变大,薄膜表面的晶粒的直径逐渐变大,但粒径均在25 nm左右.当退火温度达到1 150℃时,粒径变得很大(约400 nm).在700,900,1 050℃下退火后的薄膜的X射线衍射谱没有明显差别.在退火温度1 150℃下出现了较高的峰,研究结果表明:退火温度的增加,大量大粒径二氧化锆单晶晶粒出现,使得二氧化锆薄膜的漏电流增大,从而导致其热稳定性变差.

用数值模拟的方法对大气压非平衡等离子体薄层中,不同的电子密度分布对微波反射、吸收和透射的影响进行了研究.所采用的理论分析方法是分层模型和镶嵌不变原理.计算中考虑了微波在子层间的多次反射和吸收.数值结果表明,对于电磁波的吸收来说,等离子体中具有二次分布的电子密度,其效果要高于线性分布10%左右;而对于反射来说,线性分布效率更高.功率反射系数随波长的增大而增大,功率吸收系数A也不是单调的,当电子密度不变时,A存在一个峰值,随着电磁波波长的增加而增加,达到最大值后,缓慢降低.

从负径向电场产生的电漂移改变荷电粒子运动的极向运动速度着手,推导出在负径向电场存在时安全因子的表达式,分析了安全因子对荷电粒子漂移位移和运动轨迹的影响.建立了在负径向电场条件下,荷电粒子在梯度磁场和曲率磁场中运动数学模型.通过数值模拟,获得了通行粒子、香蕉粒子的漂移位移和运动轨迹所呈现出的新特点和规律:负径向电场改变了荷电粒子的最大漂移位移.当荷电粒子的极向运动速度增加时,最大漂移位移减小,反之增大;改变了荷电粒子的运动轨迹,通行粒子的轨亦可能变为香蕉粒子的轨迹,香蕉粒子的轨迹可能变为通行粒子的轨迹,当电场达到足够的强度时,均成为在极向上顺时针运动的通行粒子轨迹.

介绍了同轴电缆头和转接头的HPM击穿实验研究方法,给出了几种电缆头和转接头微波击穿功率随微波频率、脉冲宽度、重复频率和脉冲持续时间变化规律的实验研究结果.结果表明:微波击穿发生在同轴电缆头连接处,是电缆接头沿面滑闪,且击穿功率随同轴电缆及转接头尺寸的减小而降低;击穿功率也随微波脉冲宽度(30 ns～1 μs)的增大而减小,并且在100 ns附近有一拐点;在低重复频率(1～1000 Hz)下,重频对击穿功率的影响不大;微波频率在2.856～9.37 GHz变化时，微波频率对击穿功率的影响不明显;微波脉冲宽度较窄时(几十ns以下),击穿功率随持续时间变化不大,脉冲宽度较宽时(百ns以上),击穿阈值随持续时间的增大而下降.

在原始的FDTD细线算法基础上,把带负载细导线模型分成导线、电阻和吸收三个部分,分别用不同的偏微分方程描述,使其可以处理两端带有纯电阻性负载细线电磁脉冲散射问题,进而得到电阻负载上消耗的总能量及对应的功率消耗.用该方法计算得到的结果与文献结果进行了比较,证明了该方法的有效性.最后用此方法对一种典型情况进行了计算,并对结果进行了分析.该方法是对FDTD方法中细线算法的补充和提高,经过修改也可以用于非阻性负载的情况.

膜片加载圆波导是相对论行波管最主要的慢波结构,同轴结构的膜片加载波导可以拓宽带宽.利用变分法对同轴交错膜片加载的慢波结构(亦称同轴径向线)进行了理论分析,得到了色散方程并进行了数值计算.计算结果表明,它比非同轴结构的带宽有明显的增加.

提出了一种类周期加载微波腔结构,通过理论和全电磁2.5维相对论粒子模拟程序计算,证实了电子束可以与这种谐振腔结构发生相互作用.基于该谐振腔特点,通过ASTRA程序(包含电子束自身空间电荷场的粒子运动模拟程序)设计和优化了一个X波段的类周期加载微波腔振荡器,该振荡器的束波转换效率理论值可达52%,工作频率为9.4 GHz.然后用全电磁2.5维相对论粒子模拟程序进行了进一步的优化,模拟中,输入电压700 kV,电流6.6 kA,磁场4.4 T,其输出功率为1.67 GW,束波转换效率达到36%.实验上输出微波峰值功率达到1.3 GW,脉宽26 ns,束波转换效率为26%.

通过改变阴阳极间隙,得到在不同外加电场情况下,场致爆炸发射石墨阴极有效发射面积随时间变化的实验结果.结果表明,在起始的一定时间内,阴极有效发射面积随时间的增加而增大.阴极有效发射面积达到1.0的时间随阴阳极间隙内电场的增加而减小;当二极管阴阳极之间的平均电场约为100kV/cm时,阴极有效发射面积达到1.0的时间约为20 ns阴极有效发射面积相对电压波形的延迟时间随电场的变化近似呈指数衰减曲线.

获得雷电电磁场的随机特性,是研究雷电电磁场对电子系统有害耦合效应评估的基础.基于雷电流的统计特性,在具有一般性的概率框架下讨论雷电电磁场,导出电磁场峰值的概率分布函数及密度函数,采用多重积分法计算出不同位置处电场强度和磁场强度峰值的概率分布图和累积概率分布图,计算结果与蒙特卡洛模拟结果吻合.

为达到BEPCⅡ直线加速器的设计指标,系统地研究了误差和抖动(Jitter)效应对束流性能的影响.误差效应包括束流的初始偏轴和聚焦透镜偏轴导致的色差效应;束流的初始偏轴和加速结构偏轴导致的尾场效应等.主要的抖动效应包括相位漂移抖动和高频功率源中调制器电压的抖动影响等.确定了在BEPCⅡ直线加速器上对误差和抖动的限制,如来自电子枪的束流的初始偏轴应小于等于0.3 mm,加速结构和聚焦磁铁的安装误差应小于等于0.2 mm,相位漂移抖动误差应小于等于2°,调制器的电压抖动误差应小于等于0.1%.并进一步确认了必须采用相位控制系统和束流轨道校正系统,以抑制这些误差效应的影响,达到正、负电子束流能散度小于等于0.5%和电子束束流发射度小于等于0.25mm·mrad,正电子束束流发射度小于等于1.60 mm·mrad的设计目标.

用于直线感应加速器的3.5MeV注入器脉冲功率系统采用了感应叠加原理.整个系统包含了脉冲形成系统、触发系统以及感应腔负载.脉冲形成系统主要由Marx发生器和Blumlein脉冲形成线组成,产生12个脉宽约90 ns,幅度约200kV的高压脉冲,通过12个感应腔和变阻抗阴阳极杆,在阴阳极间隙处产生3.5 MV的二极管电压,由天鹅绒阴极发射强流电子束.触发系统主要由两级触发开关构成,严格控制12个高压脉冲的输出时间,时间分散性统计值小于1 ns(动作时间抖动).采用该脉冲功率系统注入器能产生能量约3.5 MeV,电流2～3 kA的强流电子束.

介绍了重频纳秒高压脉冲下变压器油绝缘特性研究的现状和成果.进行了重频(1 Hz～1kHz)纳秒高压脉冲下25^#变压器油击穿特性的实验研究.实验发现相对于单次纳秒脉冲,重频脉冲下25^#变压器油的击穿场强与频率相关,频率提高,击穿场强降低,但不是线性关系,在频率超过100Hz时变压器油的击穿场强变化较小,在10～100Hz时变压器油的击穿场强迅速下降.初步总结了重复频率、脉冲宽度和击穿场强的关系,对重频脉冲下变压器油的击穿机理进行了初步的探讨.

以电子束偏转磁场的像差和畸变为目标,对参量进行非劣解中找出贴近理想的最优解.以SDS-3电子束曝光机的磁复合偏转系统为基础,分析了像差与电子束主轨迹的关系.并给出了磁聚焦和静电的偏转场相复合情况下竖轴的3级几何像差系数和1级色差系数公式.应用中表明,复合系统结构简单紧凑,像差小而可以不用动态校正.

对HIRFL-CSR工程的主环(CSRm)的共振慢引出进行了设计,并采用Winagile程序对引出过程进行了初步的计算机模拟.主环慢引出采用幅度和动量选择引出机制,其引出通道和快引出通道相同.采用了1/3整数共振慢引出机制来获得约1 s的较均匀的引出束流,该引出束流的水平发射度小于1πmm·mrad.

介绍了延长负电子亲和势二次电子发射材料砷化镓的逸出深度的设计,并给出了经过特殊设计的这种砷化镓的能级示意图,然后对通常的砷化镓和经过特殊设计的砷化镓的二次电子发射系数的理论值进行了比较,得出:当原电子入射能量较低(小于10 keV)时,两种砷化镓的二次电子发射系数差值较小;当原电子入射能量较高(大于20 keV)时,经过特殊设计的砷化镓的二次电子发射系数比普通砷化镓的二次电子发射系数大,而且随着原电子入射能量的升高,两种砷化镓的二次电子发射系数差值也在增大.

为克服传输线理论方法求解电磁脉冲电缆耦合问题存在的不足,对电磁脉冲电缆耦合问题进行了时域求解方法的研究.引入了适用于电磁脉冲电缆耦合问题数值求解的基于细线散射的时域有限差分(FDTD)法,将Gedney's PML进行了扩展,使其可以用于各向同性有耗计算域截断问题的处理.利用建立的数值方法,模拟了电磁脉冲作用下地面铺设屏蔽电缆引起的蒙皮感应电流分布规律及波形特征,并利用辐射波电磁脉冲模拟器对该问题进行了实验研究.计算与实验结果在误差范围内的一致性证明了数值结果的可靠性,以及该时域计算方法在处理电磁脉冲电缆耦合问题的可靠性.

用大束流加速器和透射电子显微镜研究了Zr-4合金在310℃和350℃下的质子辐照效应.当质子能量为2 MeV,在310℃和350℃下质子辐照产生原子离位损伤达5dpa(注量率为8.5×10¹³cm^-2·s^-1),辐照前后的明场像、高分辨相和电子衍射花样均表明:在310℃辐照产生原子损伤达到5dpa,沉淀相Zr(Cr,Fe)₂边缘5～10 nm的区域已经非晶化,而在350℃时质子辐照却没有非晶化发生.沉淀相Zr(Cr,Fe)₂的元素分布图像和浓度分布表明,铁元素向基体扩散并且聚集在非晶化边界区域.

报道了以高聚物为载体,以有机染料及添加剂为变色指示剂体系,制备一种辐射变色膜.这种辐射变色膜为无色透明固体薄膜,经⁶⁰Co γ射线辐照后,其颜色变为蓝色.辐照后样品的紫外-可见吸收光谱表明,在可见光区其最强吸收峰出现在624 nm附近.在10～90 kGy的剂量范围内,不含添加剂的辐射变色膜的光密度变化与吸收剂量呈线性关系,而含有添加剂的辐射变色膜对γ射线辐照的响应在50 kGy时就达到饱和.同时还探索了该体系辐照效应的化学反应机理.

喷气负载是高功率Z箍缩的主要负载之一.应用一维等熵压缩气体动力学,分析了"强光一号"加速器拉瓦尔喷嘴的基本物理过程,获得了拉瓦尔喷嘴出口处气流的马赫数,Ma=4.6,并对其进行了修正,修正值为3.5.利用由雪耙模型导出的Z箍缩聚爆时间表达式,并结合"强光一号"Z箍缩实验结果,修正了由一维等熵气体动力学得到的喷嘴气流线质量表达式.最后根据已知气流的线质量40μg/cm,利用B-T模型初步估算了喷嘴的气流密度分布.估算结果为:在轴向2.5～40 mm,径向0～15 mm的区域内,气体分子密度基本在10¹⁶～10¹⁷/cm³,且在轴向2 cm内基本形成空心的气体壳层结构.

通过三维磁场的有限元计算,给出了自由电子激光(FEL)研究用光学速调管升级后的磁参数.国家同步辐射实验室合肥光源(HLS)电子储存环能量可以日常运行在200～800 MeV间,为了与电子储存环能量匹配,并在较高束电子能量下进行实验和得到较多的相干辐射光子,光学速调管从原来的对称结构升级成非对称结构,用于HLS储存环谐波产生FEL实验.给出了升级后非对称光学速调管的几组匹配磁参数,用于在HLS储存环注入能量和可以运行的最高能量下进行谐波FEL实验.初步计算表明,HLS储存环电子束性能优越,能散很低,FEL实验用最高能散仅为2.05×10^-4,相应FEL辐射的能散修正因子在0.96以上,可以忽略不计.

利用PIC(particle-in-cell)方法,结合实验装置的几何结构和实验结果,采用动态开关模型,对微秒等离子体断路开关和电感负载间的功率流特性进行了研究.模拟得到了与实验结果符合较好的开关电压和负载电流波形,并给出了开关下游出现的稀薄等离子体的密度(约10¹²cm^-3)和速度(约1 cm/ns),同时也得到了开关下游的空间电流分布.模拟结果表明,开关下游的结构应避免阻抗突变以减少电流损失,同时提高开关阻抗可有利于提高负载上的最大功率.

通过对P沟道MOS场效应管IRF9530和N沟道MOS场效应管IRF540N的X射线和钴源γ射线的辐照对比研究,发现两种场效应管阈值电压变化随吸收剂量近似成一阶指数衰减关系.产生这种现象的原因是场效应管氧化物中的空间俘获电荷与吸收剂量近似成线性变化,对阈值电压变化和吸收剂量有近似线性的改变;而界面态对空间电荷有补偿作用,其对阈值电压的改变与吸收剂量有近似成二次方的关系.

介绍了采用脉冲形成网络(PFN)获得长脉冲功率源的基本原理,用PSpice模拟Marx型脉冲形成网络的结果,以及200 kV长脉冲功率源的设计过程。建立了一台对匹配负载输出200 kV的长脉冲功率源,功率源电路结构采用5级Marx PFN型脉冲形成网络,网络阻抗为14Ω左右。实验得到该功率源输出电压脉冲前沿小于500 ns,平顶宽度为3μs,脉冲半高宽为4.3μs,电压脉冲平顶波动小于1%,脉冲电压幅度为200kV左右。

延迟击穿器件(DBD)是一种新型半导体开关.研究了国产PIN二极管的延迟击穿效应,主要进行了单管、串联双管和串并联多管阵列PIN二极管器件的延迟击穿实验.实验结果显示,单管、双管和多管阵列PIN器件都可以陡化输入脉冲前沿,获得快前沿的输出脉冲.单管工作电压2.2 kV,脉冲前沿陡度由0.95 kV/ns提高到1.37 kV/ns双管工作电压4.2 kV,脉冲前沿陡度由1.7 kV/ns提高到2.3 kV/ns;多管阵列工作电压8.0 kV,脉冲前沿陡度由2.4 kV/ns提高到3.2 kV/ns.