报道了采用激光二极管(LD)端面泵浦Nd: YVO4双端键合晶体高平均功率高斜效率1 064 nm声光调Q激光器。通过对大功率泵浦情况下激光晶体热透镜效应进行分析和估算, 优化了模式匹配及热稳腔结构参数, 实现了稳定的高功率高斜效率准连续脉冲激光输出。在泵浦功率46.8 W、最高重复频率50 kHz下, 获得最大平均输出功率17.6 W, 光-光转换效率为37.6%, 斜效率达70.1%, 脉冲宽度51.3 ns; 在最低重复频率10 kHz下, 获得最大单脉冲能量0.91 mJ, 峰值功率为46.2 kW, 脉冲宽度为19.8 ns。

为了得到高效的腔外频率变换355 nm紫外激光输出, 提出了一种利用３块LBO作为非线性频率变换晶体的新方案。采用LD端面泵浦Nd: YAG声光Q开关激光器作为基波源, 当入射泵浦功率为25 W、调制频率12 kHz时, 获得了6.2 W的1 064 nm激光输出, 经过非线性频率变换后, 获得了2.7 W的紫外355 nm激光输出, 光-光转换率43.4%。

将激光诱导击穿光谱技术(LIBS)应用于复混肥中的主要营养元素之一钾(K)元素的含量检测。样品中K养分的浓度较高, 在等离子体形成过程中容易发生自吸收。通过分析谱线的激发能级、跃迁几率以及自吸收程度, 确定最佳分析谱线为钾的原子线404.40 nm。同时为了提高LIBS分析复合肥样品的测量精度, 分析了光谱测量稳定性随谱线信号平均次数的变化规律。结果显示, 在本实验条件下, 一次测量平均100个脉冲所得的光谱信号, 其相对标准偏差较小。实验总共分析了9个复合肥样品, 其中7个作为定标样品, 建立K养分浓度的定标曲线, 另外2个作为未知样品, 用以检验LIBS分析K养分浓度的测量精确度。研究结果表明, 定标曲线的线性拟合度为0.989, 检验样品的绝对误差小于0.3%, 体现了激光诱导击穿光谱技术快速分析复混肥中钾养分的潜力。

采用脉冲激光聚焦于透明液体中产生单个激光空泡, 利用高速相机拍摄空泡在透明液体中整个运动过程, 并对刚性壁面造成的空蚀现象进行了观测。实验研究发现,空泡溃灭将产生高速冲击波和高速射流, 这是造成刚性壁面损伤的两种主要原因。空泡与刚性壁面的无量纲距离在0.4~1.4之间时, 刚性壁面首先受到高速冲击波的破坏, 由于空泡的趋壁效应, 空泡在第二次收缩过程中将在壁面附近对实验靶材产生高速微射流的空蚀破坏。且这两种作用机制在无量纲距离为1.0时, 高速微射流对壁面的空蚀效果更加明显。

以TEA CO2激光器通常采用的平-凹光学稳定腔为基础, 提出了一种新的波长选支方法——输出窗口镀膜选支方法。利用一台高平均功率TEA CO2激光器进行了选支实验研究, 结合现有光学镀膜技术, 得到了中心波长为9.3 μm的激光单谱线输出, 其单脉冲能量及平均功率与激光器原中心波长10.6 μm单谱线输出的相应参数基本相当。研究发现, 以相同单脉冲能量激光照射热敏纸时, 中心波长9.3 μm激光光斑与中心波长10.6 μm的明显不同。同时, 还设计出两波长窗口密闭免调切换装置, 在一台激光器上实现了10.6, 9.3 μm两个中心波长激光同等功率水平的免调切换输出, 切换位置误差小于5″, 密封性能满足使用要求。

从耦合模方程出发, 用一种矩阵方法分析了折射率调制深度误差对切趾啁啾布拉格光纤光栅传输特性的影响。结果表明: 折射率调制深度误差的分布频率越高, 光栅传输特性受到的危害越小; 误差平均幅值越高, 光栅传输特性的劣化程度越大。因此, 在光栅的制作过程中, 应注意避免和减小高幅值误差, 并注意减少低空间频率分布的误差。

为了提高自适应光学图像复原效果, 提出了一种新的多重约束非对称图像迭代盲解卷积算法。首先, 在点扩散函数(PSF)频率域引入带宽有限约束来提高迭代盲解卷积算法的可靠性; 然后, 在PSF空间域引入支持域动态更新的思想以加快迭代盲解卷积算法收敛速度; 最后, 自动计算迭代盲解卷积算法的非对称因子以提高算法的自适应性。模拟实验结果表明, 与RL-IBD算法比较, 新算法迭代次数减少22.4%、峰值信噪比提高10.18 dB。在FK5-857和某双星的自适应光学图像复原实验中, 也取得很好的复原效果。

使用聚焦部分相干高斯谢尔涡旋光束, 对不同折射率的瑞利粒子的辐射力做了分析, 着重研究了相关长度和束腰宽度对辐射力和俘获稳定性的影响。结果表明: 相关长度和束腰宽度分别存在临界值, 相干长度小于等于其临界值或束腰宽度大于等于其临界值时, 可利用其俘获相对折射率大于1的微粒; 而在相关长度大于其临界值或束腰宽度小于其临界值时, 可利用其俘获相对折射率小于1的微粒。对俘获稳定性的分析表明, 需选择适当的相关长度和束腰宽度才能稳定俘获瑞利粒子。

为了减小载体振动对传统差动激光多普勒测速仪(LDV)测速精度的影响, 提出了Janus配置的差动LDV, 并对其速度测量的相对误差进行了理论分析与数值仿真。结果表明: Janus配置技术可以近似反演出载体上下振动时的俯仰角, 并对速度进行补偿; 载体上下振动对传统差动LDV的测量精度有较大影响, 而对Janus配置的差动LDV的影响较小; 在Janus配置的差动LDV中, 当存在俯仰角且大小一定时, 随着载体上下起伏速度与运行速度比值增大, 速度测量的相对误差增大; 当载体上下起伏速度与运行速度的比值为0.01, 俯仰角小于10°时, Janus配置的差动LDV的速度测量的相对误差小于0.2%。

在超音速化学氧碘激光器的设计中, 为了削弱光腔部分的化学反应放热对激光器出光的负面效应, 在光腔部分通常加入一扩张角。为了研究这一扩张角对激光器内流场的作用, 根据kW级超音速化学氧碘激光器的实验平台, 数值模拟了激光器内超音速混合喷管至光腔部分的流动过程, 解析了光腔扩张角对内流场的流动参量和化学增益的影响, 从维持压强和温度稳定性方面比对分析了不同扩张角度的性能, 并探索了喷管高度和扩张角之间的规律。结果表明: 此kW级超音速化学氧碘激光器的合理光扩张角度为4.5°。

基于Pokker-Planck方程, 建立一个描述短脉冲激光作用下电介质材料中导带电子能量分布随时间变化的模型, 用数值方法计算电子能量分布与电子数密度随时间的演化过程, 根据临界等离子体密度准则得到了不同激光脉冲宽度和波长下电介质材料(以SiO2为例)的破坏阈值。结果发现, 尽管激光波长通过3种途径对材料破坏阈值的确定产生影响, 但三者的共同作用导致在激光波长分别为1 060, 800, 532 nm时材料破坏阈值随脉宽变化曲线十分接近。讨论了碰撞电离、光致电离两种机制对材料激光破坏分别所起的作用: 当激光脉宽大于1 ps时, 碰撞电离对材料的破坏起主要作用; 当激光脉宽小于1 ps时, 光致电离对破坏阈值的影响越来越明显, 但是碰撞电离仍然不可忽略, 碰撞电离与光致电离同时起重要作用。

利用准单色光干涉理论, 计算了2×2平顶高斯超短脉冲激光在远场的干涉图样, 分析了激光的时间部分相干性及其存在束间相位差时对相干合成的影响。计算结果表明, 当单路激光输出光束线宽小于100 nm时, 理想波前的远场光斑图样和峰值光强基本保持不变, 当光束线宽大于100 nm时, 干涉减弱衍射效应逐渐增强; 光束间存在相位差时, 时间部分相干性将破坏远场图样随束间相位差的周期性变化, 相位差越大干涉越弱; 当超过相干长度时, 则为非相干合成, 但1/6倍相干长度范围内,仍可视为较理想的相干合成, 此时焦斑的斯特列尔比大于0.9, 对超短脉冲的相干合成影响可忽略。

将模式偏置法与全息多重存储法波前传感器原理联系起来, 通过研究模式偏置波前传感器的输出响应特性, 间接得到全息模式波前传感器的运行规律。对模式偏置波前传感器进行理论分析与总结, 并建立简化模型, 针对若干阶Zernike像差, 通过数值模拟对理论结果进行验证。模拟结果显示: 传感器输出信号与各种类型待测像差系数有不同的变化关系, 这与理论分析结果吻合。以散焦模式像差为例, 利用两个相位型空间光调制器动态加载模式像差, 分别在入射光波中引入待测像差和偏置像差, 探测焦平面光斑强度变化。实验结果表明: 以峰值光强作为焦平面光强分布的信息提取方式, 进而得到正负偏置光斑的光强差和归一化光强差, 这比在小孔光阑上进行积分更简单有效。

通过将杨氏双缝窗口函数表示为复高斯函数叠加的方法, 从Collins公式出发推导出了高斯-谢尔模型(GSM)光束通过杨氏双缝和ABCD光学系统后光强的近似解析表达式。利用该公式作了数值计算, 通过与Collins公式计算结果进行比较, 确定了该公式的适用范围, 研究了相干长度和双缝中心遮拦比对解析公式适用范围的影响, 并对该公式的应用前景作了展望。

基于随机电磁光束相干和偏振性的统一理论和交叉谱密度矩阵传输公式, 将杨氏双缝干涉实验作为双缝衍射现象来处理, 在考虑缝宽情况下, 研究了厄米-高斯电磁光束在杨氏干涉实验中的偏振度变化, 讨论了入射厄米-高斯电磁光束的偏振度、自相关和互相关长度、模阶数和双缝的遮拦比对观察屏上偏振度的影响。结果表明: 观察屏上的偏振度随双缝面上偏振度和互相关长度的增加而增大, 随自相关长度减小而增大;当模阶数为偶数时, 观察屏轴上偏振度取极大值, 模阶数为奇数时, 取极小值。

为了验证理论分析得到的圆锥形喷管在单脉冲条件下的激光推进能量相似律, 用2维轴对称辐射流体动力学方法, 计算得到了不同构形的推进性能参数, 分析了锥角、长度、无量纲因子、入射激光能量对冲量、冲量耦合系数的影响。计算揭示的激光推进能量相似律合理, 在理论模型可以描述的范围内, 其定性规律与理论分析、实验结果之间相互印证。结果表明: 当锥角固定时, 冲量和冲量耦合系数随无量纲因子先增大后减小, 极大值对应的无量纲因子仅与气体比热比相关; 当无量纲因子固定时, 冲量随入射激光能量增加而增大, 冲量耦合系数受激光能量的影响很小, 冲量和冲量耦合系数均随锥角增大而单调减小。

探测系统的光源选择为垂直腔面发射激光器, 选定水汽在1.854 μm的吸收峰。系统自动在直接测量法与谐波测量法之间切换, 能够适应高低湿度环境。在低湿度环境检测中, 利用二次谐波与一次谐波的比值来定标湿度, 有效去除了光源不稳定对测量带来的影响; 过采样的A/D转换结合数字锁相放大(DLIA)技术, 提高了检测精度。系统通过以太网接口, 可以实现远程数据采集。

高重复频率激光器是kHz卫星激光测距系统的重要组成部分, 提高激光发射频率可以有效地获得更多的观测数据, 这是当今卫星激光测距领域的发展方向。针对武汉卫星观测站进行的kHz激光测距实验, 介绍了kHz激光器的工作过程和原理, 分析了影响高重复频率回波探测的因素。实验结果表明: 对实验过程中所观测到的中低轨卫星, 观测数据量提高了1～2个数量级, 观测精度也有所提高。

观察并记录了增大D2流量时DF激光光腔流场可见光荧光的变化现象, 对光轴处的可见光荧光进行了光谱测量, 使用波长为632.8 nm和543.5 nm的He-Ne激光器对光谱仪进行标定。对激光器光腔内介质成分进行了理论分析, 并理论计算了DF高次泛频谱线及D原子谱线, 通过比对荧光的实验测量光谱与光腔内介质成分谱线, 发现荧光是由F,He,D,N,DF及其它激发态介质共同形成的, 对光轴处荧光的颜色构成作出了解释。

以随机相位屏构造波前畸变相位, 运用高通滤波的方法模拟变形镜对光束波前畸变相位的校正作用, 模拟分析了畸变波前的相位校正效果, 定量分析了校正效果与低频相位畸变和高频相位畸变之间的关系, 并进一步讨论了变形镜的校正位置对校正效果的影响。研究结果表明: 对于给定单元尺寸的变形镜, 随着畸变波前中高频相位畸变所占比例的增大, 经校正后的远场光束质量明显降低, 校正效果也越来越差。此外, 光学变形镜所在位置对校正效果存在明显影响, 校正效果随校正位置的变化呈现出起伏变化。

采用时域有限差分方法(FDTD)模拟了石英玻璃和掺钕磷酸盐激光玻璃表面三角形微裂纹对入射光调制后的分布。TE模式光波入射, 最大调制电场幅值出现在玻璃体内部;TM模式光波入射,最大调制电场幅值则发生在裂纹的缝隙中。两种入射光模式下, 后表面的调制电场幅值增大倍数在相同裂纹条件下均比前表面大。TE模式入射时, 当入射光在裂纹和玻璃表面相继发生全反射时, 得到的调制电场幅值最大; 后表面最大调制电场幅值随着裂纹在界面投影长度的增加、开口宽度的变大及裂纹深度的增加而分别增大。

概述了谱学光子筛的设计原理, 计算了其透射率, 并对设计的软X光谱学光子筛的衍射模式在光学波段进行了模拟计算和实验表征。结果表明, 这种新型色散元件具有良好的、与设计预期一致的单级衍射特性, 3级及以上的高级衍射能被有效抑制。与传统的透射光栅和以前设计的单级衍射光栅相比, 新设计的软X光谱学光子筛更易于实现自支撑, 可望在极紫外和软X光谱测量过程中得到广泛应用。

用2D3V粒子模拟程序研究了高能质子束驱动的尾波场加速电子的方案, 及其在此方案中应用背景等离子体密度的跃变致使等离子体电子自注入加速相区的可能性。粒子模拟结果显示: 密度跃变实现了电子的自注入, 并且捕获的电子束处于加速相位, 等离子体尾波场纵向电场对捕获的电子束起箍缩作用; 捕获的电子束随着传输, 表现为窄能谱分布; 同时随着密度跃变大小的增大, 可以增加等离子体电子的捕获。

基于三级像差理论设计了用于激光等离子体诊断的极紫外Schwarzschild显微镜光学系统。显微镜的工作波长为18.2 nm, 数值孔径为0.1, 放大倍数为10。光学设计得到中心视场空间分辨力达0.3 μm, ±1 mm视场内分辨力约0.4 μm的结果。分析了Schwarzschild成像系统的物镜装配、系统装调及光学元件加工误差对像质的影响, 结果显示光学元件局部面形误差是影响系统成像分辨力的主要因素。通过提高系统装调的精度, 可以有效补偿像距误差、两镜间距误差及曲率半径误差对像质的影响。综合考虑实际加工和装调能力, 制定了系统整体公差方案, 考虑公差后光学系统能够在±1 mm视场内获得3 μm的空间分辨力, 达到了等离子体诊断的要求。

针对波长为0.3~0.5 nm的喷气箍缩等离子体X射线诊断, 研制了一种适用的高空间分辨的晶体谱仪。色散元件采用云母(002)凸面晶体, 布拉格角为37°, 信号采用X射线胶片进行接收, 有效接收面积为30 mm×80 mm。物理实验在“阳”加速器装置上进行, 胶片获得了氩喷气K, L壳层光谱信号, 其光谱范围较宽, 为0.31~0.40 nm。经解谱发现,类氦谱线有明显的基底, 用最小二乘法拟合包络曲线去噪处理后, 得到类氦谱线光谱分辨力为200~300。实验结果表明,该谱仪获得的X射线测量值与理论值相符, 适合喷气箍缩等离子体X射线光谱的诊断。

为了制备满足设计要求的宽角度、宽波段减反膜, 利用离子束溅射沉积技术, 在时间-功率控厚的模式下, 对膜层沉积速率进行了精确修正。在实验中, 利用时间-功率控厚的离子束溅射沉积技术, 选择HfO2和SiO2作为高低折射率组合, 在超抛ZF6玻璃基底上制备了宽角度、宽带减反膜, 通过对实验后的透过率光谱曲线的数值反演计算, 获得膜层厚度修正系数, 初步得到了沉积速率随沉积时间变化的规律。利用修正后的沉积参数制备设计的膜系, 在0°~30°入射角度下, 600~1 200 nm波段的平均透过率达到99%以上。

采用傅里叶模方法, 分析了单点金刚石铣削后KDP晶体表面小尺度波纹的周期和幅值对单层增透膜折射率、厚度以及透射率的影响。研究表明: 膜层最佳折射率在1.22左右, 在此折射率条件下, 保证透射率大于99%的单层增透膜的理想厚度范围应为180~220 nm, 并且折射率和膜厚值的选取基本不受晶体表面小尺度波纹周期和幅值的影响。若只考虑SPDT法加工后KDP晶体表面小尺度波纹周期和幅值的实际范围, 透射率基本不受波纹周期的影响, 但却会随波纹幅值的增大而加速下降。理想镀膜条件下透射率最大值大于99%, 并且通常在99.67%~99.94%之间。

基于磁流变抛光机理, 采用简森-范锡图特法求解驻留时间函数以确定磁流变抛光工艺软件的核心算法设计, 开展工艺软件全过程模块化、流程化设计, 进行功能模块测试。软件开发过程中兼顾各功能模块间关系耦合, 并完成工艺软件的代码集成测试。开展500 mm口径的微晶平面反射镜的验证实验,结果表明元件面形值获得快速有效收敛。证实了所设计的工艺软件能够精准地指导大口径光学元件的磁流变加工。

为解决强激光系统中大口径光学元件抛光面形精度收敛困难的问题,提出了一种基于压力补偿原理的抛光面形快速收敛技术。利用独特的抛光垫修整技术, 将抛光垫表面修整成特定形状, 使工件与抛光垫的接触面产生不均匀的压力分布, 并结合精确的抛光转速控制, 以加快工件面形精度的收敛速度。实验结果表明, 将抛光垫修整成微凸面形,可以有效避免抛光中元件过早塌边问题, 能将大口径平面元件的初抛时间从数天缩短到6 h以内, 元件面形精度提高到1个波长左右。

采用脉冲电镀工艺, 以直径为1 mm的铜丝为芯轴, 在无氰镀液体系中, 制备出惯性约束聚变实验用铋靶所需的金属铋镀层。通过正交试验得到的最佳脉冲工艺条件为: 电流密度5 A/cm2, 频率600 Hz, 占空比1∶6, 温度20 ℃。利用扫描探针显微镜和扫描电子显微镜分别对铋镀层表面形貌进行分析, 同时利用X射线衍射对铋镀层物相成分进行分析。表征结果表明: 所得铋镀层表面细致均匀, 孔隙率低, 平整性好, 无裂纹。

叙述了双喷嘴乳粒发生器的工作原理、设计关键点及设计思路, 利用该发生器开展了双层乳粒的制备实验研究工作。研制的双喷嘴乳粒发生器在喷嘴处的3层管的位置能够通过简单调节达到同心, 使得双层乳粒包覆的可靠性得到提高。研究了制备的乳粒的分散性和稳定性, 并分析了形成双层乳粒的油相和水相的流速比, 结果证明: 利用所研制的双喷嘴乳粒发生器可以容易地制备出单分散性双层乳粒, 油相与水相的流速比为0.3~15.0时, 可形成双层乳粒。

在激光驱动粒子加速和快点火背景下, 用带碰撞模块的1维粒子模拟程序, 研究了高功率亚ps激光与高密度(近固体密度)碳薄膜靶相互作用中的碰撞效应。研究表明, 通过和无碰撞粒子模拟结果的比对, 在早期瞬态时段, 碰撞效应通过慢化提供电阻加热的回流对快电子产生和输运起重要作用。定性上, 碰撞效应还减少快电子的产额和最大能, 抑制能量输运。然而, 在加热后期当往返运动成为主要输运机制时, 有碰撞和无碰撞两种情况的差别减小。

电离层对电磁脉冲传播的影响可以用一个频域的电流密度来描述, 在时域则等效为一附加的电流密度和电导率。推导了附加电流密度和电导率在时域的表达式, 它们是电离层参数和作用电场的函数, 并以差分方程的形式给出。高空核爆电磁脉冲(HEMP)的计算是在时域进行的, 将该电流密度和电导率计算方法应用于HEMP产生和传播的自洽计算中。作为算例, 计算了100 km高空核爆电磁脉冲产生和向上传播的3种情况, 并对计算结果进行了比对分析。计算结果表明: 电离层时域计算方法与核爆电磁脉冲计算方法的结合是合理有效的, 爆点上方考虑电离层影响的HEMP要比不考虑电离层影响的结果小得多。

利用电磁模拟软件, 计算得到了H面渐变与E面渐变的楔形衰减器匹配效果, 指出在相同渐变长度下, E面渐变匹配效果优于H面渐变。H面渐变衰减器反射主要来源于电场集中处, 而E面渐变衰减器主要来源于渐变前部尖端处。在此基础上设计出了一种变形的匹配衰减器, 即在E面渐变衰减器渐变开始处向前延伸一块薄片。计算结果与测试结果表明: 与H面渐变和E面渐变的楔形衰减器相比,所设计衰减器在近截止频率处的匹配效果得到了明显的改善。

基于高功率微波(HPM)混合气体传输模型, 系统阐述了考虑磁效应条件下HPM窄波束在低电离层中传输时的聚焦与散焦原理, 推导了考虑外加磁场和HPM热效应情况下,窄波束在低电离层中传输的非线性几何光学方程及聚焦和散焦特性描述参数, 并对低电离层中的波束发散特性进行了仿真分析。仿真结果表明: 低电离层表现出的散焦特性, 使HPM窄波束发散, L, R, O, X波均发生了波束发散现象, 且R波的波束发散角最大, O, X波次之, L波最小, 但随着入射波频率的增加, 这种差别逐渐减小; 相同条件下, 入射波频率越高, 散焦现象越弱; 一定入射波频率条件下, 波束轴线上的场强越大, 波束发散现象越明显。

针对金属双边二次电子倍增现象, 分析给出了电子共振方程、共振相位、相位聚焦条件以及碰撞电势; 并根据二次电子发射的材料特性, 研究了金属双边二次电子倍增的敏感区间。利用蒙特卡罗方法抽样选取电子初始发射能量和角度, 数值研究了二次电子倍增的敏感区间, 并与理论结果进行了比对, 给出了二次电子数目随时间的增长关系。利用材料二次发射特性的经验公式, 辅以电子碰撞角和碰撞能量计算以及对二次电子初始能量和发射角度的蒙特卡罗随机抽样算法, 编制了3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE的金属边界二次电子发射功能模块, 模拟金属双平板二次电子倍增过程, 获得了二次电子倍增物理图像、二次电子数目随时间演化规律等结果。模拟结果不仅验证了理论分析, 还表明在合适的条件下, 空间电荷限制作用将导致二次电子倍增的饱和。

提出了一种用于偏馈抛物柱面反射天线的功分喇叭。由于改善了口面上的电磁分布, 该功分喇叭可以让馈源阵列的栅瓣电平抑制到－28 dB。用FEKO进行仿真发现, 与传统用角锥喇叭阵列作为馈源的抛物柱面反射天线相比, 使用功分喇叭直线阵列可以使空间功率合成天线的效率从68%提高到80%, 同时天线的增益也能增加0.7 dB。

初步实验研究一种新型插片式功率合成器, 它具有结构紧凑、容易加工、功率容量高等优点。该器件通过在两个相互垂直的过模矩形波导中放置两组金属插板, 来实现线极化高功率微波的双路非相干通道功率合成。在对该器件进行初步结构优化设计的基础上, 对器件进行了初步实验研究。冷测实验结果表明: 该器件在两个通道中均有效实现了单模传输, 器件的反射损耗小于0.4 dB; 热测实验结果表明: 器件可以承受2 GW以上的高功率, 功率容量满足需求。

分析了核物理实验的特点及其对模数转换器(ADC)的要求, 比较了3种ADC芯片的主要技术指标, 选取了具有逐次逼近寄存器型架构和16位分辨力的ADS8472作为采集芯片, 其微分非线性和积分非线性分别是±0.50 LSB(最低有效位,least significant bit)和±0.65 LSB。根据该芯片在实际电路中的应用, 介绍了多道脉冲幅度采集分析系统架构, 并对其工作原理进行了说明。利用线性电源芯片给出了合理的供电方案, 经过长时间(72 h)满负荷运行考验, 各扇出电压波动均小于1 mV。

介绍了中国散裂中子源/快循环质子同步加速器射频同步相位环路的数字化控制系统设计方案, 并利用ALTERA公司的现场可编程门阵列开发面板进行了系统开发, 完成了控制回路的编程与仿真, 进行了桌面实验和低功率实验, 并对其进行了分析与讨论。实验结果表明: 同步相位环路运行稳定, 控制误差小于1°, 满足物理设计要求。

采用束包络方程分析了单脉冲和多脉冲情况下回流离子对强流相对论电子束聚焦的影响。分析结果表明, 单脉冲情况下通过缩短焦距, 仍可以获得较小的积分焦斑, 而在多脉冲情况下回流离子将导致电子束完全散焦。通过数值模拟和实验研究了利用薄膜阻挡回流离子的可行性, 对不同薄膜在电子束作用下的温升及动力学行为的模拟结果表明, 在1.06 μs的时间尺度内, 薄膜虽然发生了不同程度的膨胀, 但是仍然有足够的材料可以阻挡离子回流。在神龙一号加速器上, 通过法拉第筒测量了靶前放置和不放置薄膜情况下的离子信号, 实验证实了薄膜至少能够将离子约束在薄膜和转换靶之间长达数十μs。

为满足回旋加速器内部束流测量探头产生低放射性的要求, 通过理论分析和蒙特卡罗模拟方法, 研究了11 MeV, 50 μA质子束轰击铜探头产生的感生放射性, 得到各种感生放射性核素的饱和放射性活度, 并对结果进行了比较。分析结果表明, 采用软件FLUKA进行蒙特卡罗模拟, 核反应考虑完全, 可同时计算不同照射时间下的直接和间接感生放射性, 计算结果准确。应用该方法, 质子束轰击不同测量探头产生的感生放射性可以得到详细和准确的分析和预测。

为了提高中子产额, 法兰克福强中子源采用Mobley型束团压缩器来增强打靶时质子流的密度, 其入口处由射频踢波器实现微脉冲的偏转,踢波器由一对电偏转板和串联电感线圈组成谐振腔体。考虑到高频下寄生电容效应、导体腔壁对线圈电感的影响以及涡流效应对线圈交流电阻的影响, 对一台模型腔的射频特性进行了理论预测。对腔体内电磁场分布进行了数值模拟, 并利用电容微扰法进行了冷模测量。针对谐振频率、品质因数和并联分路阻抗等参数, 分析比较了理论计算、数值模拟及冷模测量的结果, 总结得出射频踢波器的有效设计方法。

介绍了北京大学分离作用射频四极场(RFQ)加速器的结构特点, 包括膜片式电极、支撑环式电极支撑系统、水冷系统、调谐系统及其工艺实现; 介绍了基于该分离作用RFQ加速腔进行的调谐测试、高功率实验和束流实验。结果表明: 调谐系统的频率调节范围及品质因数完全满足实验要求; 分离作用RFQ加速腔的输入功率可以达到33 kW以上, 满足高功率下稳定运行的条件; 在束流实验中, 把1.03 MeV的O+入射束流加速到1.65 MeV, 半高宽能散小于3%。加速器结构满足物理设计要求, 加速系统运行稳定。

电子冷却在重离子加速器冷却储存环中用于束流冷却和累积。实验发现, 电子冷却装置电子枪高压绝缘陶瓷的绝缘电阻值下降影响到电子冷却装置的正常运行。介绍了电子冷却装置的阴极更换、真空烘烤、阴极碱土金属碳酸盐的分解和阴极激活过程; 在60 W的加热功率下, 得到了10.6 μＡ／Ｖ1．５的导流系数; 用灰体辐射计算的典型工作状态下电子枪氧化物阴极发射面的温度为1 108 Ｋ, 与实际测量的1 078 Ｋ相近; 阴极首次激活不完全是电子枪使用中导流系数的增长原因。

短线腔掺铒光纤激光器由环形器(OC)、自制的Bi3+Ga3+Al3+共掺高浓度掺铒光纤(BiGaAl-EDF)、均匀光纤布拉格光栅(UFBG)和波分复用器(WDM)组成。以OC作为全反射腔镜, UFBG为波长选择性部分反射腔镜, 利用1 530 nm处吸收系数为84.253 dB/m 的BiGaAl-EDF为增益介质, 室温下获得了中心波长为1 544.31 nm、边模抑制比(SMSR)大于55 dB的激光输出。分析了BiGaAl-EDF长度对激光器输出特性的影响。结果表明: 采用12 cm长的光纤实现了短线腔的窄线宽激光输出, 在25 cm长度下, 该激光器具有最小的起振阈值和最大的输出功率。测试表明, 该短线腔激光器具有线性输出特性, 并且其中心波长和输出功率不随时间的变化而发生漂移。

为了研究离子发动机羽流对航天器的影响, 采用质点网格-蒙特卡罗碰撞方法对离子发动机羽流中的交换电荷离子进行了模拟。利用计算设备统一架构技术, 开发出一套基于图形处理器的并行粒子模拟程序。随机数生成采用并行MT19937伪随机数生成器算法, 电场方程使用完全近似存储格式的代数多重网格法求解。r-z轴对称坐标系中, 在z=0 m处获得的电流密度均值为4.5×10-5 A/m2, 图形处理器所得结果与中央处理器模拟结果吻合。在16核心的NVIDIA GeForce 9400 GT图形显示卡上, 取得相对于Intel Core 2 E6300中央处理器4.5~10.0倍的加速比。

基于各向异性模型, 运用全矢量的3维时域有限差分法(FDTD), 研究了在外磁场作用下, 亚波长周期性各向异性金属薄膜的表面等离子体共振机制和特性,即由周期性穿孔形成的局域波导共振和由周期性结构引起的光子晶体共振效应。研究发现: 当薄膜厚度一定时, 两种等离子体共振模式都会随着外磁场的增大而向短波方向移动; 而当外磁场一定、薄膜变厚时, 周期结构因素引起的共振传输峰向长波方向转移, 波导共振传输峰向短波方向转移;通过调控外加磁场的大小或方向可控制光通过金属薄膜的增强传输效应。

用J-2.5质子静电加速器提供的质子束, 对研制的一种高灵敏度新型辐射变色膜进行质子辐射响应研究。该变色膜以聚乙烯醇缩聚物为基质, 以类丁二炔化合物为有机染色材料, 质子能量为2.0 MeV, 辐照注量为1.0×1010～1.0×1012 cm-2。用光谱响应测试薄膜的辐射效应显示: 变色薄膜颜色由粉红渐变为蓝色, 并随着辐照剂量的增加而逐渐加深; 用图像分析仪分析辐照后靶材的光密度发现, 图像的光密度随聚焦斑距离的增大而减小; 用分光光度计测试其吸收光谱发现, 主吸收峰值出现在660 nm附近, 且吸收峰处的响应吸光度与质子注量具有较好的线性关系; 对新型变色薄膜辐照后持续效应的研究表明, 变色膜辐照后续效应微弱, 辐照后可以立即测量, 且对测量环境变化不敏感。

讨论了调谐耦合场作用下的Λ型三能级系统中的无反转光放大(AWI)现象, 调谐耦合场同时激励两个基态精细结构能级与激发态能级之间的跃迁, 使系统同时呈现电磁诱导透明(EIT)和自发诱导相干凹陷两种特性, 而且当调节这个耦合场的频率失谐量在某一特定范围时, 系统会在EIT信号上叠加出现AWI现象。研究结果表明: 该系统中EIT和自发诱导相干凹陷之间存在能量转移现象, 当EIT上出现AWI现象时, 虽然激发态能级与基态能级之间没有出现粒子数反转, 但是两个基态精细结构能级之间出现了粒子数反转。

为研究强激光电离氢原子团簇, 在理论上采用1维氢原子团簇的经典粒子动力学模型, 结合粒子对(PP)算法及粒子模拟(PIC)方法, 采用自行搭建的9节点并行集群系统, 利用消息传递接口(MPI)与OpenMP混合编程模型进行了并行数值模拟计算, 获得了较为理想的计算加速比。并且引入了弛豫时间参数, 有效地处理了粒子间的碰撞过程, 在极大简化计算量的同时, 保留了物理本质。所得模拟结果与已有的实验结果符合较好, 表明该并行计算模型是稳定、可行的。

X射线源的焦斑尺寸是反映杆箍缩二极管射线源成像性能的重要参数。利用针孔成像法对MeV级脉冲X射线源的焦斑进行了2维图像测量。厚针孔采用直孔段加单锥体结构, 直孔段孔径为0.2 mm。对于0.5 MeV的X射线, 5倍成像倍率下调制传递函数值为0.5时空间分辨达到2.0 lp·mm-1。图像采集系统由闪烁体、物镜和CCD相机组成, 物镜的成像倍率约0.34。实验结果经过模糊校正后, 得到了焦斑的图像和调制传递函数。根据调制传递函数值为0.5时对应的空间频率值, 给出X射线源焦斑的尺寸。阳极杆直径为1.2 mm时, X射线源焦斑的高斯分布等效直径为0.86 mm。

为了评估某电源系统抗伽玛总剂量辐射能力, 研究了评估电子系统抗伽玛总剂量辐射能力的QMU方法。为获得应用QMU方法所需的输入量, 提出了以蒙特卡罗方法和SPICE电路模拟相结合的分析方法, 用以确定受伽玛辐照后系统性能参数的裕量及不确定度。应用QMU方法对电源系统抗伽玛总剂量能力进行了评估, 将评估结果和实验结果进行了比较, 验证了方法的可行性。

为了提高工业CT图像处理系统的处理效率, 对其边缘连接和直线拟合方法进行了优化研究。对于边缘连接, 根据边缘间隙大小决定连接方式: 对小间隙直接用直线填充;对较大的间隙, 采用基于模糊判决的边缘连接法计算边缘间总隶属度最大的一条路径, 并将其填充。对于直线拟合, 先用二元素特征点法提取轮廓特征点, 再采用改进的集合求交直线识别方法将特征点间的线段拟合。通过实例验证了优化方法的正确性。

研究了伽玛辐照效应对SiGe异质结双极型晶体管的集电极电流和厄尔利电压的影响。经过104 Gy的伽玛总剂量辐照后, 集电极电流和厄尔利电压均增加。另外, 辐照后发射结和极电结的开启电压和击穿电压也均有一定程度的减小。以上这些变化均是由于辐照产生的缺陷引起发射区和集电区有效掺杂浓度减小所致。

对采用电缆延时方法的双脉冲直线感应加速器组元感应腔磁芯的自动复位进行了模拟和实验研究。利用Pspice软件对Blumlein线充电预脉冲积分的影响因素进行了模拟, 将预脉冲伏秒值与主脉冲幅度之比定义为“复位脉宽”, 作为评判预脉冲对感应腔磁芯复位能力的判据。不同负载情况下的高压双脉冲实验结果表明, 该判据有较高的准确度, 依照判据要求调节Blumlein线负载后, 可在基本不影响主脉冲的前提下解决双脉冲感应腔磁芯的复位问题。

通过介绍螺旋线型倍压器的结构参数和工作原理, 分析了影响螺旋线型倍压器输出特性的3个损耗参数: 开关电阻损耗因子。螺旋线型倍压器传输线电阻损耗因子和传输线相邻同轴电容之间漏感损耗因子; 螺旋线型倍压器的损耗参数主要由其结构参数所决定, 通过实验研究, 给出了各结构参数对螺旋线型倍压器输出特性的影响关系, 并且给出了传输线电阻损耗因子和相邻同轴电容间漏感损耗因子与传输线结构参数间的经验公式, 为螺旋线倍压器的电路模型构建提供参考数据。

利用基于解析公式的理论方法来计算狭缝式裂变探测系统的中子灵敏度。采用积分和泰勒展开法推导了铀裂变材料在中子作用下产生的碎片数目及PIN探测器接收碎片的概率, 并得到该系统的中子灵敏度理论计算公式。在D-T中子源上对该探测系统的中子灵敏度进行了实验标定, 并将实验结果与解析公式计算得到的理论值进行比较。结果表明: 理论计算值与实验结果保持一致, 两者之间的偏差小于10%。

根据脉冲驱动源和负载参数, 提出了3 MV感应电压叠加器磁感应腔的设计指标为1.2 MV/70 ns。由感应腔的电流传输效率和真空同轴线绝缘要求, 确定了磁芯的几何尺寸; 研制了矩形比为0.5的预退火非晶磁环, 明确磁环数量不少于6只; 在30 T/s时, 实验测量的最大脉冲相对磁导率与饱和波模型计算结果相当; 估算磁感应腔的等效激磁电感约为7.3 μH, 涡流损耗电阻约为139 Ω。根据临界击穿场强的经验公式, 采用电场数值分析方法, 确定了磁感应腔的电气结构; 实验验证了磁感应腔设计有效性; 建立了基于磁感应腔的3 MV感应电压叠加器全电路模型, 阳极杆箍缩二极管电压、电流计算波形, 与实验结果基本相符。