分析基于单芯光子晶体光纤的超连续谱光源在提升平均输出功率时所面临的问题, 指出采用多芯光子晶体光纤作为超连续谱产生介质是一种实现高功率超连续谱产生的潜在方案。使用自制皮秒光纤激光器泵浦一段国产多芯光子晶体光纤, 实现了光谱范围750~1700 nm, 平均功率42.3 W的全光纤化高功率超连续谱输出。

实验研究了样品表面有切向空气气流、切向氮气气流和无气流时, 976 nm连续激光对玻璃纤维增强E-51环氧树脂复合材料的辐照效应。结果表明:无气流时, 喷出的热分解产物会对入射激光产生屏蔽作用; 有气流时, 激光对玻璃纤维的破坏方式是其升温熔化后再被切向气流带走; 当激光功率密度较低时, 切向空气气流以加强样品表面的对流冷却作用为主, 不利于激光对玻璃纤维复合材料的破坏; 当激光功率密度较高时, 切向空气气流以降低屏蔽作用和提供氧气助燃为主, 有利于激光对玻璃纤维复合材料的破坏。三种气流状态下, 质量损失随功率密度呈现单调增加趋势, 当入射激光功率密度在100~600 W/cm2范围内, 随着功率密度的增大, 激光能量的利用效率逐渐增大并趋于稳定。

对白天天空背景亮度进行了数值实验; 模拟了不同标高下的气溶胶垂直分布对天空背景亮度的影响; 比较了不同垂直分层和整层均匀气溶胶分布下, 天空背景亮度的相对偏差, 并分析了天空背景亮度对地表反射率的敏感性。结果表明: 给定气溶胶光学厚度下, 不同标高的垂直分布得到的天空背景亮度差别很大; 天空背景亮度对地表反射率和气溶胶总光学厚度都比较敏感, 敏感程度受太阳-观测几何的影响。

单重态氧发生器作为氧碘化学激光的核心部件, 为化学激光器提供化学能。通过对工业喷射器及旋风分离器的研究, 结合产生单重态氧的化学反应环境, 进行了大量模拟及设计改进工作, 研制了一种新型喷射型单重态氧发生器, 并进行了相关实验研究。喷射型单重态氧发生器利用喷嘴能够产生比传统发生器类型更多的气液表面, 获得足够的反应效率, 可以大幅度降低发生器液体使用量, 从而减小发生器辅助系统, 提高体积效率。为满足O2(1Δ)停留时间短及分离效率高的要求, 利用气液两相喷射的高初速度以旋风分离器完成气液分离。新型发生器氯气利用率可达97%~99%, 其O2(1Δ)产率为40%~50%。

基于残余光强闪烁理论, 分析了与大气湍流探测有关的激光雷达各项硬件参数并获得参数的优化范围, 据此研制了一台用于大气湍流探测的光强闪烁激光雷达。背景基线、线性特征等性能测试表明, 激光雷达各硬件工作正常, 数据获取可靠。实验测量中获得了水平方向上闪烁指数和大气折射率结构常数随探测距离和时间的变化趋势, 其中闪烁指数在450~2000 m探测距离范围内由0.001逐渐增大至0.350左右; 大气折射率结构常数基本保持水平均匀性, 在1.0×10-16~1.0×10-15m-2/3范围之内; 大气折射率结构常数在10:00~21:00时间内大致呈现上午上升、下午下降、晚上上升的变化趋势, 具有较明显的日变化特征。实验结果与理论和常规测量较为相符, 表明光强闪烁激光雷达能够获取大气湍流的探测距离变化和日变化特征信息。

利用Nd:YVO4激光晶体的自受激拉曼效应, 结合Cr:YAG被动锁模技术和倍频技术, 实现了结构紧凑的1176 nm和588 nm黄光锁模激光输出。激光器为LD端面泵浦, 三镜折叠腔结构, 并且采用了透过率为10%的输出镜。Nd:YVO4晶体长度为10 mm, Nd3+离子掺杂质量分数为0.2%, Cr:YAG晶体的初始透过率为67%。10 W激光泵浦时, 1176 nm激光平均输出功率为123 mW, 调Q包络宽度为6 ns, 调Q包络内的锁模脉冲重复频率高达1 GHz。588.2 nm 黄光的平均输出功率为8 mW。

为了降低红外焦平面告警系统中较高的虚警率, 提出了一种速度限制基础上基于曲率限制的目标搜索算法。以视场角5.3°×4.0°凝视型红外告警系统为例, 在MATLAB中对红外图像序列进行了目标搜索实验, 验证了该算法的可行性。按照蒙特卡罗法思路模拟了包含大量随机噪声的目标场景, 研究了该算法相比传统多帧检测算法对随机噪声的抗干扰性。对该算法的搜索帧数进行了扩展, 给出了不同搜索帧数的搜索效果和时效性表现。

为了降低噪声对实测红外光谱信号的影响, 引入了一种非下采样小波变换的红外光谱数据去噪方法。采用非下采样小波变换对原始光谱信号进行多尺度分解, 提取信号的多尺度细节特征; 根据光谱信号和噪声在不同尺度上的差异, 通过应用变分偏微分方程方法调整分解后的各子带系数; 重构各子带就可以将原始光谱信号中真实信号和噪声分离, 从而达到剔除噪声的目的。通过两组实验对比传统小波和该方法针对红外光谱数据的消噪效果, 实验结果表明:非下采样小波变换在红外光谱数据去噪方面具有明显的优势, 不仅能够有效地去除噪声, 很好地保持信号的形状, 并且均方误差较小; 在实际的红外光谱数据处理中能够获得较好的去噪效果。

利用激光清除空间碎片被认为是一种可行手段, 冲量耦合系数是数值计算空间碎片清除效果的重要参数。建立了激光烧蚀冲量耦合系数解析计算模型, 引入电离度参数, 将气化机制与等离子体机制两种机制下的冲量耦合系数解析计算模型联系起来, 建立统一的耦合系数解析模型。以空间碎片常见材料Al为例, 计算得到冲量耦合系数、电离度、激光功率密度三者之间的变化关系。随着激光功率密度的增加, 气化机制逐渐向等离子体机制过渡, 电离度增加, 直至完全电离, 冲量耦合系数先增加后减少, 并且在等离子机制占主导情况下达到最优冲量耦合。

为了使激光冲击强化技术能较好地应用于TC6钛合金的发动机叶片, 对TC6钛合金进行试验研究。通过X射线衍射仪、透射电子显微镜等测试技术分析了不同参数下TC6钛合金的微观组织变化, 用显微硬度计和残余应力测试仪分别表征表层硬度和残余应力变化, 并测试材料冲击后的振动高周疲劳性能。试验结果表明: 激光冲击材料后表面组织得到明显细化, 随着冲击次数的增加, 先后出现了高密度位错、位错胞、亚晶和纳米晶。性能方面, 表面硬度在冲击一次即可提高19%, 硬度影响深度达到700 μm; 与此同时表面残余应力最高达到-608.5 MPa, 在500 μm深度上仍具有-100 MPa左右的应力存在。经三次冲击后, 标准疲劳试片的疲劳极限提高近20%。

利用多光束激光输出耦合叠加是一种提高激光器输出功率的有效方法。采用两束矩形激光对准系统, 分析两光束不同对准情况下的焦斑特性。完全对准的情况下, 两束光的远场焦斑重合在一起, 焦斑能量是两光束能量之和。在实际光束对准系统中, 讨论了三种常见的对准误差, 并比较了这些误差对焦斑特性的影响。利用ZEMAX软件对设计系统进行了模拟分析, 并进行了实验验证。结果表明, 元件的位置误差会使远场焦斑能量集中度降低, 焦斑半径增大。

采用波长1064 nm, 功率为1 W的种子激光实现了两路光纤激光的相干合成, 采用了两只保偏光纤准直器接收两路光干涉信号, 与利用透镜直接把干涉信号会聚在探测器上相比, 这种耦合方式得到的光干涉信号的条纹对比度更高。对相位噪声以及相位噪声的带宽进行了研究, 结果表明, 相位噪声由电信号串扰以及环境扰动产生。通过人为拨动光纤来增加相位噪声带宽, 当相位噪声带宽增加时, 相位控制精度下降。提出了提高相位控制精度的方法, 实验获得了桶中功率为21.3%、斯特列尔比为79%、相位控制精度为0.008λ的相干合成效果。

为了快速准确地对含有噪声的包裹相位图进行相位展开, 采用理论分析与计算机模拟及实验验证相结合的方法, 对基于快速傅里叶变换(FFT)的四种典型算法--四次FFT算法(4-FFT)、二次FFT算法(2-FFT)、四次离散余弦变换算法(4-DCT)及横向剪切干涉与FFT相结合的算法(LS-FFT)作了对比研究。结果表明: 2-FFT算法运行速度最快, 4-FFT算法次之, LS-FFT算法速度最慢; 4-FFT算法对含有较强噪声和轻微欠采样的实验数据的处理效果是最好的; LS-FFT算法对强噪声数据的处理效果最差。

利用有限元分析法结合Fox-Li迭代法, 考虑腔内本征模式与腔镜热形变的相互耦合作用, 计算模拟了正支共焦非稳腔的本征模式分布, 定量分析了高功率激光器腔镜热变形对输出光束质量的影响, 重点讨论了腔镜热变形所引起的腔内本征模式相位特性的变化, 并从波前功率谱密度、Zernike像差系数及光束质量β值等角度对腔镜发生热形变前后的激光器输出光束的光束特性进行比较分析。研究结果表明: 高功率激光器腔镜热形变对输出光束的光束质量会产生一定的影响, 且随着激光输出功率的增大, 镜面热形变引起的输出光束波前相位高频比例及Zernike高阶像差均会有所增大, 波前畸变程度也明显变大, 光束质量逐渐变差。

钠导星激光研制需激光线宽在一定范围内可调节。开展了F-P标准具压窄线宽数值模拟, 设计一台高光束质量基横模线偏振激光输出全固态1064 nm激光器作为实验装置, 结合激光器输出光谱特性进行计算。根据计算结果采用不同规格的单标准具、组合双标准具实现了激光线宽在0.75 ~2.83 GHz范围内的离散调节控制。在标准具未控温情况下, 不同线宽时激光中心波长保持1064.58 nm, 30 min内波长漂移量小于3 pm。

针对现代最先进的像元尺寸为15 μm、像元数640×480的中红外焦平面大面阵探测器, 设计了一种全球面轻小型高分辨率温度自适应夜视成像系统, 系统工作波段为3~5 μm, 全视场角为8.58°, 相对孔径为1/2, 焦距为80 mm, 四片式结构, 使用锗、硒化锌和硅三种材料, 系统采用全球面结构, 避免了以往该种系统中使用衍射面或非球面, 大大降低了加工检测难度且成本低。设计结果表明, 该高分辨率温度自适应夜视成像系统具有结构简单、体积小、分辨率高、成像质量高等特点, 满足设计要求, 可用于机载光电探测和跟踪系统。

针对高功率固体激光驱动器的安全运行, 提出了覆盖驱动器建设全过程的污染控制方法, 详细介绍了洁净清洗、洁净检测、洁净保护等保障污染控制效果的技术手段, 并介绍了神光-Ⅲ主机装置片状放大器洁净度提升所采取的技术途径, 以及片状放大器光照清洗实验中气溶胶等级随闪光灯照射次数的变化情况。实验结果表明, 神光-Ⅲ主机装置的洁净水平与美国国家点火装置(NIF)接近且优于其他同类装置, 洁净度的大幅提升为装置的安全运行提供了有力保障。

聚变反应峰值时刻是表征惯性约束聚变热核反应的重要参数。在神光Ⅲ原型装置上利用新研制的具有高时间分辨的聚变反应历程测量系统对聚变反应时间过程进行了测量, 通过引入时标光获得了对应不同碳氢(CH)烧蚀层厚度的聚变反应峰值时刻数据, 测量结果表明: 在当前的实验条件下, 聚变反应峰值时刻落后入射激光0.7~1.0 ns, 增加烧蚀层厚度或氘氚(DT)燃料气压均会导致聚变反应峰值时刻与入射激光间的相对延时增加。

神光Ⅱ装置上靶丸压缩实验中, 黑腔长度的变化会影响靶丸赤道和两极受到的辐照强度, 从而导致燃料区被压缩成不同的形状。介绍了辐射多群扩散建模下的辐射流体力学方程组及其数值方法。采用最近研制的二维总体LARED集成程序, 对神光Ⅱ不同长度黑腔靶丸压缩变形实验进行了整体数值模拟。结果表明辐射多群扩散建模可以反映腔内辐照均匀性变化情况, 靶丸压缩形状与神光Ⅱ实验定性一致。

采用无模板化学气相沉积法, 以二茂铁为催化剂, 二甲苯为碳源, 利用单温炉加热装置制备了定向碳纳米管阵列。运用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱和X射线衍射仪等对定向碳纳米管阵列的形貌、成分和物相进行细致的分析和表征。结果表明: 制得的碳纳米管阵列具有良好的定向性和多壁管状结构, 并且石墨化程度高; 碳纳米管中除碳元素外, 管中包含有少量以纳米颗粒和纳米线形式存在的铁及其化合物, 主要成分是铁和碳化铁。结合碳纳米管的制备和透射电子显微镜分析表征结果, 认为超长碳纳米管阵列的生长模式为底部生长方式, 即经历催化剂分解、催化、成核、长大、中毒、凝聚成粒和连接成线的循环过程, 正是由于碳源和催化剂的连续供应促成了碳纳米管阵列的快速定向生长。

在激光聚变靶丸等离子体诊断中, 为了同时重建出等离子体发射系数和吸收系数的空间分布, 建立了分层结构成像模型, 利用LM(Levenberg-Marquardt)非线性最小二乘优化算法, 提出了基于该模型的重建算法。数值模拟结果表明, 该算法成功地重建出发射系数和吸收系数, 而且重建精度高, 明显优于不考虑吸收衰减影响的Abel逆变换重建结果。对于连续分布, 当噪声标准差为0.01时, 发射系数与吸收系数重建误差分别为0.17, 0.22。

针对神光Ⅲ主机装置使用的光学元件, 基于分形理论, 分析中高频相位畸变的统计分布特征, 指出其满足分数布朗随机场, 并利用结构函数法对分形维数进行计算, 统计结果显示, 大口径钕玻璃片的分形维数在2.34~2.43之间。利用局部稳态的随机中点位移法, 提出一种新的表征光学元件相位的方法, 将分形维数作为参数, 可衡量中高频相位畸变, 对高功率激光光学元件的评价有参考意义。

获取高时空分辨的M带X射线辐射能流信息是黑腔物理研究的重要内容之一, 条纹相机平响应存在谱响应耦合、谱改造元件结构设计等问题。通过对条纹相机和透射式X射线光阴极谱响应特性的研究, 提出组合滤片调制法以实现条纹相机M带带通平响应。计算表明, 在M带能区内谱灵敏度不平整度仅为2.7%, 带通效果良好。

为了探索气体在固体表面高分子链中的扩散, 使用分子动力学(MD)的方法, 对H2, D2, T2在聚苯乙烯与金属铜(PS-Cu)界面的扩散进行了计算模拟, 通过所得到气体的均方位移计算了气体在不同金属表面与聚苯乙烯界面中的扩散系数。结果显示: 气体在界面的扩散系数比在聚苯乙烯本体中的扩散系数小, 气体在PS-Cu(110)界面的扩散系数最大, 在PS-Cu(111)界面的扩散系数最小。计算和分析了PS与金属表面的相互作用, 发现其相互作用能越大, 气体在此界面的扩散系数越小。同时, 金属表面的晶面密度对气体在界面中的扩散也有一定的影响。

设计了一种能在C波段和X波段实现稳定双频输出的带有非对称谐振反射腔的单电子束同轴相对论返波振荡器。采用耦合阻抗跃变型慢波结构, 使用粒子PIC模拟软件进行了粒子模拟研究。模拟结果显示: 轴向电场在系统中的分布得到改进, 电子束的能散得到改善。在电子束电压511 kV, 电流8.95 kA, 引导磁场0.73 T的条件下, 双频器件实现了8.09 GHz和9.91 GHz的双波段频率稳定输出, 平均功率为1.0 GW, 波束互作用效率为21.9%, 效率高于空心双波段返波管及其他双波段器件。器件辐射功率的拍频为1.82 GHz, 拍波更为明显和稳定。模拟研究中同时发现, 随着慢波结构之间漂移段的变化, 双频频率都呈现一种准周期的变化。

从理论上分析了周期性矩形刻槽对喇叭天线输出窗真空侧次级电子倍增的影响。采用动力学方法分析得到电子沿介质窗表面运动的渡越时间和碰撞能量, 验证得到一定尺寸的矩形刻槽介质窗可以有效抑制次级电子倍增效应。在此情况下, 对比了刻槽和不刻槽两种输出窗的辐射特性, 发现周期2 mm、宽度1 mm、深度1 mm的矩形刻槽对介质窗辐射特性的影响可以忽略。

为了抑制W波段折叠波导行波管研制中的自激振荡, 保证行波管正常放大工作, 分析了折叠波导慢波结构中反射振荡、返波振荡和带边振荡的产生原因, 开展了折叠波导行波管振荡抑制技术研究, 通过优化设计和工艺研究采用周期跳变作为关键技术用于W波段折叠波导行波管的研制。通过模拟检验和实验验证, 证明采用了振荡抑制技术后行波管自激振荡得到了有效的抑制, W波段脉冲行波管在20%占空比时脉冲输出功率大于100 W, 带宽大于5 GHz。

从基本半导体物理出发, 通过求解载流子连续性方程, 建立了能够定量描述引起CMOS反相器内部瞬态闩锁效应的微波脉冲功率阈值与脉冲宽度关系的解析理论模型。通过与仿真结果以及文献中实验数据的对比, 验证了该理论模型的正确性。该理论模型表明, 引起CMOS反相器内部瞬态闩锁效应的微波脉冲功率阈值首先随着脉冲宽度增加逐渐降低, 但是存在一个明显拐点区域, 当脉冲宽度超过该区域之后, 引起闩锁效应的功率阈值变化不甚明显。

利用超高速相机Hsfc-Pro对绝缘子真空表面闪络光学特性进行了研究, 重点分析了平板和刻槽结构圆盘形介质样品在指状电极下闪络通道的差异以及刻槽结构对材料绝缘强度的提升。实验结果表明: 槽纹的引入改变了闪络通道的形成位置, 平板结构介质样品的表面闪络一般是沿两电极中心连线发展, 而刻槽结构介质样品的表面闪络则是沿介质边缘发展。这导致后者的闪络时延至少是前者的π/2倍, 证明了刻槽结构可以在不增加器件尺寸的前提下有效提高介质材料的绝缘强度。

介绍了一种基于准光技术的高功率斜角弯头的设计方法, 可实现圆波导TE0m模式的高效转弯传输。使用模式变换器将工作模式TE0m转换成锥形高斯模, 经过转弯后, 锥形高斯模被重新转换成工作模式。这种锥形高斯模可以减少波束在镜面的衍射, 从而实现工作模式的高效率转弯传输。基于这一方法, 设计了工作在Ka波段、工作模式TE01的MW级波导斜角弯头。HFSS计算结果表明: 在8%的带宽内, 传输效率大于98%。

为研究高功率微波及材料特性参数对介质沿面闪络击穿过程的影响, 采用自编的1D3V PIC-MCC程序, 通过粒子模拟手段, 得到了电子与离子数目、电子及离子密度分布、空间电荷场时空分布、电子平均能量、放电功率、表面沉积功率、激发电离损耗功率、电离频率等重要物理量。结果表明: 电离频率随场强增加而增加, 达到饱和后缓慢下降, 强场诱发的二次电子数目更多导致本底沉积功率增高; 电离频率随频率减小而增加, 达到饱和后缓慢下降, 频率太高会抑制次级电子倍增; 因此, 低频强场下击穿压力较大; 反射引发表面电场下降及磁场增加效应, 降低表面场强虽使表面击穿压力下降, 但磁场的增加会导致二次电子倍增起振时间缩短, 且会增加器件内部击穿风险; 圆极化相对线极化诱导二次电子数目更多、本底沉积功率更高, 击穿风险增加; 短脉冲产生电子、离子总数少, 平均能量低, 沉积功率低, 击穿风险低于长脉冲; 脉冲上升时间的缩短和延长, 只会提前或推后击穿时间, 并不会改善击穿压力; 材料二次电子发射率的增加会给击穿造成巨大压力, 表面光滑度对击穿过程影响不大; 电离频率和电子平均能量随释气压强增加均先增加后减小, 低气压二次电子倍增占优, 高气压碰撞电离占优。

对高功率超宽谱双反射面天线系统进行了优化改进设计, 兼顾辐射性能、馈入反射和功率容量。采用沿能流线设计的“粗胖”实体结构代替板状TEM喇叭极板结构, 增加低频电流的回流通道, 从而改善天线馈入反射特性。将副反射面设计为尼龙箱体内、外两部分, 使其与尼龙箱体之间的连接螺钉不再突出于高压电场中, 优化后最大场强下降了约70%, 功率容量达到59 GW, 通过Taguchi优化算法对组合馈源喇叭结构进行整体优化, 天线辐射因子rE(辐射场峰值与观测点距离乘积)提高了1.2倍。优化后的天线系统进行了高功率实验, 实验结果表明: 天线系统功率容量达到30 GW, 辐射因子超过8 MV。

设计了外Q值较小, 工作于高阶横磁TM310模的X波段速调管单间隙同轴输出谐振腔。用微波等效电路理论计算了高阶横磁TM310模情形六个漂移管的等效间隙中心位置, 由此计算腔内等效间隙中心到输出波导内横向膜片的等效长度。以MATLAB编程计算得到同轴谐振腔TM310模式加载矩形波导滤波器输出回路的间隙阻抗, 其结果与传统冷测模拟法计算结果吻合。验证了等效长度计算方法的正确性, 用于圆柱腔基模的传统微波等效电路理论能用于分析同轴谐振腔高阶横磁模式输出回路, 且比传统的冷测模拟法及场分析法更为快捷。

在大型功率合成阵列中, 为解决现有种子源输出功率不足的问题, 提出了利用相对论返波振荡器作为种子源锁定大间隙速调管放大器频率和相位的思路, 并进行了由一个相对论返波管驱动一个高功率注入两腔大间隙速调管放大器的理论和初步实验研究。实验结果表明: 大间隙速调管的频率被相对论返波管锁定, 两个微波源的实时相位差在单脉冲内锁定在±16°之内, 多脉冲间的相对相位差锁定在±11°之内, 锁相时间约40 ns; 在注入功率约22 MW时, 大间隙速调管的输出功率约230 MW, 增益约10 dB。

为研究场致发射的温度效应对微波管中爆炸电子发射过程的影响, 在对比分析低温条件下的场致发射电流密度Fowler-Nordheim(FN)和一般的电子发射电流密度积分公式的基础上, 利用细长圆柱形微凸起模型, 重点考虑焦耳加热和热传导两个因素, 编程计算得到了微凸起内部的温度分布和不同位置处温度随时间的变化。结果表明:场致发射的温度效应是一个重要影响因素, 考虑温度对场致发射的影响后, 微凸起内部各点的温度随时间呈非线性增长, 且增长速率越来越大; 在微波电场强度较弱时, 若不考虑场致发射的温度效应而直接用FN公式表示的电流密度代入计算, 会使爆炸发射延迟时间变短; 当微波电场很强时, 温度效应对爆炸发射延迟时间的影响则较小。

为定量研究电磁波与微带线的耦合终端响应问题, 提出一种基于BLT方程的电磁波与微带线耦合分析方法, 相比传统方法计算效率高、占用内存少。将PCB板上微带线等效为有耗传输线模型, 对辐照平面波进行矢量分析并求解等效激励源, 运用BLT方程研究不同入射方式、脉冲波形对微带线终端的影响, 并对入射波与终端响应进行了时域、频域分析。研究表明: 当入射波频率与微带线长度满足一定关系式时对微带线的耦合最强, 耦合电压峰值达2.4 mV; 电场平行微带线入射比垂直PCB入射时的终端电压峰值大一倍; 且同幅同脉宽的矩形脉冲较高斯脉冲和三角脉冲对微带线的耦合峰值电压大; 不同波形的脉冲通过调节脉宽都可对微带线耦合终端电压达到mV量级。

微波反射成像(MIR)是等离子体湍流扰动诊断中的一种重要手段, 它注重于测量高时空分辨力的二维/三维分布, 实现等离子体空间湍流结构的可视化实时观测, 以获得更为准确的物理信息。针对等离子体诊断要求, 结合托卡马克HL-2A装置的参数, 对具有准光结构的8 mm微波反射成像系统进行了理论计算和仿真设计, 设计出一套准光系统, 为指导微波反射成像的系统设计奠定基础。

针对重离子加速器部分电源的控制要求, 进行了分析研究, 提出并实现了一种实时、高效、多功能的控制系统。该系统基于数字信号处理器(DSP)和两片现场可编程门阵列(FPGA)芯片相结合的核心处理构架, 在系统后端利用PXI总线接口配合FPGA来与工控机箱中的系统控制器和其他控制组件进行大批量数据交互; 系统前端利用直接数字频率合成器、模数转换器和数模转换器等器件结合DSP和FPGA中的控制算法及相应控制机制来实现对不同电源控制参数的处理和功率的输出; 平台中两组光纤模块也与FPGA相配合实现对同步触发事例等实时数据的收发和调试。

以直线感应加速器(LIA)匹配磁场设计和束线调谐为背景, 提出解决强流相对论电子束长距离、小波动、多元件磁约束的输运优化问题的数值优化办法, 建立基于遗传算法的优化程序。结合束质心轨迹及束包络耦合模型, 设计描述束传输半径波动大小的评价函数, 采用励磁元件馈入电流为优化对象, 解决LIA磁场配置“组合爆炸”优化问题。计算结果表明: 优化程序可依据不同的初始束流, 有针对性地快速给出一组符合束输运要求的励磁电流配置。研究成果为在建的LIA装置束线调谐提供一种重要的数值分析工具。

介绍了应用于介质壁加速器的小间隙异面电极结构的光导开关。所用光导开关为异面结构的砷化镓(GaAs)光导开关, 电极间隙5 mm, 偏置电压为15~22 kV脉冲高压, 工作在非线性(高增益)模式, 由半导体激光器产生的脉冲激光触发。脉冲激光的中心波长为905 nm, 脉冲宽度(FWHM)约20 ns, 前沿约3.1 ns, 抖动小于200 ps, 峰值功率约90 W。实验结果表明: 光导开关的偏置电压较低时, 开关寿命较长, 导通性能较差; 偏置电压较高、驱动脉冲激光功率较大时, 开关导通性能较好, 寿命较短。

介绍了一种基于相干辐射测量的激光-电子束同步方法, 描述了实现空间及时间同步的基本原理、步骤和细节, 并利用这种方法在上海深紫外自由电子激光装置(SDUV-FEL)上实现了电子束与激光之间亚ps量级的精确同步, 为基于外种子激光的高增益高次谐波产生(HGHG)、回声型谐波产生(EEHG)和级联HGHG自由电子激光实验奠定了坚实的基础。还利用这种手段对不同条件下的电子束纵向特性进行了测量和分析。

多脉冲强流直线感应加速器(LIA)测控系统中仪器设备数量大、种类多、总线类型复杂, 其通信和控制直接影响装置运行的可靠性。在硬件上将众多仪器根据功能划分成不同的子系统, 每个子系统仪器设备通过必要协议转换后和相应的前端设备服务器连接, 然后接入测控系统网络; 仪器设备的通信控制软件采用LabVIEW平台进行开发, 前端设备服务器中的本地控制程序通过VISA或UDP协议与仪器通信, 远程通信采用DataSocket技术; 为了应对强烈的电磁干扰和高压冲击, 对仪器供电系统以及Marx充电线路进行了多处隔离, 同时采取优化网络结构和数据流向、采用UDP协议以及主从模式总线仲裁等措施提高软件的可靠性。这套系统目前应用于多脉冲强流LIA装置的调试试验中, 运行稳定可靠, 完全满足实验要求。

在热工中, 需要中子学计算给出燃料组件内各元件棒功率的相对分布。利用蒙特卡罗程序对中国实验快堆(CEFR)燃料组件内元件棒功率分布进行了理论计算分析, 并保证计算结果相对统计误差小于08%。使用另一个基于六角形节块扩散理论的钠冷快堆中子学设计软件NAS计算得到的结果对蒙特卡罗程序计算结果进行了对比计算。结果表明, 蒙特卡罗程序与NAS计算得到的元件棒相对功率分布结果的最大相对偏差小于3%。使用蒙特卡罗程序对CEFR燃料组件内精细功率分布的计算是可靠的, 可用于设计计算当中。

带电离子在样品内输运过程中的能量岐离、探测立体角有效范围及探测系统噪声都将改变中子深度分析(NDP)的多道离子能谱分布。假定上述三种因素导致的离子探测谱能量展宽都可以采用高斯函数描述, 基于一般条件下的NDP装置设计, 建立了预测一定深度核素产生的离子测量谱的探测器响应函数物理模型。该模型的理论分析结果与实验测量能谱的峰位、半高宽均符合良好, 能够作为中子深度分析测量谱反演分析的基础。

采用SiH4, C2H4和Ar在射频容性耦合柱状放电室中产生了尘埃颗粒, 利用发射光谱测得射频尘埃等离子体放电室中的一些基本碎片的发射光谱, 并给出了这些碎片的光发射强度随着实验条件变化的曲线。随着功率和气压的增加, 碎片的光发射强度逐步增加, 尤其是随功率增加得更快, 这说明功率对硅烷和乙烯的离解作用明显。随着硅烷和乙烯流量的增加, 碎片的光发射强度随之下降。利用朗缪尔探针的实验结果得出尘埃密度的变化趋势, 给出了尘埃密度随射频功率变化的曲线, 其结果与硅烷和乙烯的离解变化趋势基本吻合。

利用聚合经验模式分解(EEMD)方法对闪电负地闪回击电场波形进行了分析并得到一系列具有物理意义的内禀模态函数 (IMF)。 结果表明, IMF1是高频噪声项, 趋势项R主要是静电场作用的结果。 IMF2~IMF11表现出闪电通道的不同尺度放电特征。通过计算IMF分形维数, 发现越高阶的IMF对应着越大的分形维数, 表明越高阶的IMF对应着越曲折的闪电放电通道。相比于基于经验模式分解(EMD)的希尔伯特-黄变换(HHT)谱和小波谱, 基于EEMD的HHT谱能改善模态混叠现象, EEMD更适合于观察像闪电这种非平稳非线性信号。

介绍了用于2.0 MJ激光泵浦源的新型高功率闭合开关系统的主要功能部件及其设计、研制和测试过程, 分析给出了该气体开关系统的关键器件设计所依据的数学原理。在2.0 MJ电容储能的模拟脉冲电源平台上的实际测试表明, 该气体开关系统的峰值通流能力达到500 kA, 单次放电转移电荷量不低于150 C, 累积寿命超过200 kC, 理论上能同时支持20对(40只)氙灯工作。开关本体的石墨电极头还可以更换, 能进一步延长寿命。该气体开关系统的总体性能接近同期国外同类型产品的指标要求。

基于“强光一号”装置设计了1 m长、2 cm阴阳极间隙的同轴型磁绝缘传输线(MITL)实验平台, 实验研究了负载阻值0, 2.07, 4.12和5.68 Ω条件下该MITL沿线电流损失特性。实验结果显示: 满足磁绝缘准则条件下, 该MITL沿线电流损失主要发生在阻抗剧变区域; 2.07 Ω负载阻值条件下, 传输于阴阳极间隙的真空电子流可达传输线电流的17.4%, 并且其比例随着负载阻值的增大而不断增大。基于空间电子流理论, 对上述实验现象进行了定性的机理分析与解释。

实验研究了开关闭合抖动随欠压比和脉冲触发电压的变化关系, 利用紫外光纤探测器测量不同间隙放电时延, 分析了放电过程对多间隙开关闭合抖动的影响, 并研究采用预电离方法降低开关触发电压。实验表明: 开关抖动随脉冲触发电压与欠压比的乘积增大呈指数下降趋势; 当触发电压和欠压比的乘积大于33 kV时, 开关抖动小于5 ns; 乘积大于45 kV时, 开关抖动降到3 ns以下并趋于饱和; 对六间隙气体开关抖动的贡献, 触发间隙占30%~40%, 其余5个间隙为60%~70%; 欠压比和触发电压对触发间隙击穿抖动的影响最大, 对随后放电的3个间隙影响较小, 对最后2个间隙几乎无影响; 当欠压比大于57%时, 采用预电离措施使开关的触发电压降低了10 kV以上。

在“阳”加速器上进行的Z箍缩实验中, 利用快速硅光电二极管、多模光纤和石英滤片搭建了可见光探测系统, 并利用该系统对丝阵Z箍缩等离子体内爆可见光辐射特性进行了研究。实验结果显示, 可见光辐射在内爆开始时就已经存在, 其波形与X射线辐射波形存在差异, 在辐射波形的主峰前存在所谓的“拐点”。分析表明, 在内爆滞止前, 丝阵Z箍缩中单丝箍缩现象和预箍缩等离子体对可见光辐射贡献很大, 而整体内爆开始时单丝附近的局域磁场消失是可见光辐射波形存在“拐点”的主要原因。

采用一种具有高储能密度的玻璃陶瓷板介质作为平行平板层叠Blumlein线(SBL)的储能介质, 设计了一种平行平板SBL。针对该SBL的特点, 设计了一种层叠轨道间隙触发开关。在实现多通道时, 模拟与实验研究结果均表明该开关的上升时间小于10 ns。为验证这种设计理念, 制造了一台2级平行平板SBL样机, 实验结果表明, 该结构适合于实现脉冲功率系统的模块化设计。

为实现绝缘栅双极晶体管(IGBT)的多级串联, 以电阻/电容/二极管(RCD)缓冲电路为动态均压电路, 通过数学分析及PSpice仿真验证, 建立了RCD缓冲电路参数选择模型; 设计了基于数字信号处理器(DSP)控制、光纤隔离传输, 以M57962L为IGBT驱动器的驱动电路及故障反馈电路, 能驱动32只串联IGBT并对其进行过流和短路保护, 32只IGBT的最大导通时间不超过90 ns, 短路保护响应时间约为6 μs; 设计了8路独立输出的50 kV隔离的高压隔离电源, 实现IGBT串联电路各部分的供电及电隔离。基于以上IGBT串联方法, 实现了32只1200 V IGBT的串联, 串联电路可稳定工作在20 kV电压下。

在对脉冲形成线进行充电时, 由于充电时间较短, 以及形成线具有一定的长度, 往往会使得充电电压在脉冲形成线上存在一定的不均匀性, 从而影响到负载输出电压。对此进行了理论和模拟研究, 分析了引起充电不均匀的原因和机制; 在此基础上, 通过求解不均匀充电初始条件下的电报方程, 得到负载输出电压, 并进行了模拟。结果表明, 充电不均匀会引起负载输出电压平顶的“起伏”。

太赫兹脉冲经时空整形后常被用在太赫兹光谱和成像上。用三维时域有限差分法模拟了矩形和圆形孔径的整形效应, 模拟结果表明有限厚度矩形和圆形孔径对太赫兹脉冲能实现有效的整形和滤波。当矩形孔径长边垂直于入射波的偏振方向时, 矩形孔径有较好的整形和滤波作用, 当矩形孔径长边平行于入射波的偏振方向时, 几乎没有明显的整形和滤波作用。圆形孔径具有比矩形孔径更加显著的整形和滤波作用。这些模拟结果用平面光波导理论可以得到很好的解释。

基于太赫兹波的大气吸收窗口, 设计了一款四级级联的太赫兹mesh带通滤波器。此滤波器的中心频率为0.25 THz, 在3 dB处带宽为0.1 THz, 在通带内的插入损耗为1.5 dB, 纹波系数小于0.5 dB, 在室温下通带内的透过率能达80%以上, 且此滤波器的中心工作频率和带宽可以通过缩放mesh槽孔的尺寸来调节。利用电磁仿真软件HFSS, 结合周期边界条件及理想匹配层吸收边界条件模拟了太赫兹mesh带通滤波器的mesh排列方式、介质衬底及不同入射角度的入射波、不同极化方式等因素对滤波器透过率、插入损耗的影响。

为了解决共焦波导回旋行波管现有输入结构带宽较窄的问题, 基于高斯变换, 为0.4 THz共焦波导回旋行波管设计了准光注入结构, 注入模式为HE06模。该结构由波纹波导模式变换器、高斯变换镜及接收天线构成。对整个注入结构进行了三维电磁仿真, 结果表明, 在回旋行波管8 GHz的工作带宽内, 注入效率大于50%, 最大注入效率68%。