报道了一台全光纤结构的1.5 kW线偏振光纤激光器。激光器采用振荡器结合一级放大的主振荡功率放大器(MOPA)方案。振荡器中心波长为1080 nm, 工作时输出功率30 W, 经放大器一级放大后实现近衍射极限输出, 功率达到1.5 kW, 光-光效率81.5%, 消光比13.8 dB。这是目前线偏振光纤激光器输出功率的最高值。

利用FOI-PERFECT程序对X箍缩进行了3D数值模拟研究,给出了X箍缩的物理图像和动力学过程,探讨了Z箍缩中出现磁重联的可能性,并指出如果双丝Z箍缩中能够出现磁重联,那么X箍缩是更有利于磁重联出现的位形,并且,X箍缩中出现多重X射线暴的一个可能原因是z轴上多个位置出现磁重联。

利用大模场掺镱光纤搭建了1018 nm高功率光纤激光器,获得了476 W的最高输出功率。利用6台高亮度1018 nm光纤激光器泵浦掺镱光纤,搭建了全光纤结构的级联泵浦光纤放大器,实现了2.14 kW的最高输出功率,输出功率随泵浦功率线性增长,整体斜率效率为86.9%,M2因子为1.9。

综合论述了高重复频率脉冲功率技术所面临的主要技术障碍和工程问题。从实用的角度归纳了脉冲功率源设计时经常遇到的矛盾关系。结合目前的技术发展动态, 探讨了未来这项技术的发展趋势和主要方向。目前, 高重复频率脉冲功率系统的主要瓶颈是开关技术；主要技术障碍包括冷却、效率及可靠性；主要矛盾体现在系统的紧凑性与绝缘要求、上升时间与峰值功率、工作参数与可变范围及技术性能与制作成本等方面；未来发展趋势主要包括模块化、通用化和智能化。

基于绝缘微堆技术的直线加速器由于其能够实现较高的粒子加速梯度, 尤其在质子加速及肿瘤治疗领域的优势得到高度关注。目前该种加速器处于研发阶段, 有一系列技术和工程问题有待解决。介绍了课题组在过去的两年里围绕建立一台1 MeV质子注入器原型样机在固态脉冲功率系统、绝缘微堆及质子束源等方面取得的研究进展。实现了耐压梯度接近20 MV/m的环形绝缘微堆样品, 样品内径30 mm, 外径50 mm, 厚度15 mm, 基本达到设计要求；固态脉冲功率系统实现了光导开关多路稳定工作模式, 开关直流偏置耐压达到20 kV, 采用激光二极管触发同步系统在15路同步时实现了低于1 ns的抖动, 输出300 kV的电压脉冲, 输出电压脉冲宽度10 ns；进行了低能质子加速束流动力学的初步分析和模拟工作, 模拟结果表明采用微堆结构可以实现质子束的有效加速和传输。

基于Halbach阵列永磁体的特点以及光隔离器对磁场的需求,设计了两种适用于高功率隔离器的永磁系统, 分析了其磁场分布、磁场非均匀性对隔离度的影响, 研究了磁体装配误差对磁场的影响。研究结果表明: 通过引入斜向磁化永磁体, 选择合适的磁化角度和磁体长度, 可以提高永磁体的磁场强度, 大幅度减小旋转器所需磁光晶体长度；受磁场非均匀性影响的隔离度与磁光晶体的孔径、长度以及入射激光的光斑半径有关, 当晶体长度一定时, 减小晶体半径和入射光的半径可以显著提高隔离度。在入射光半径为1.5 mm、磁光晶体半径5 mm时, 对应的隔离度分别为105.8 dB和45.4 dB。

相干光经湍流传输引起光强闪烁效应，理论研究表明利用部分相干光可降低该影响，而相关的实验验证鲜有报道。利用水介质的对流湍流池模拟产生了Rytov方差为0.04~0.16的湍流，进行了弱起伏区湍流中部分相干光及相干光的传输实验，由接收光强计算出其光强闪烁指数随湍流Rytov方差的变化关系。实验结果表明：随着湍流强度的增加，部分相干光与相干光的闪烁效应均增强，但部分相干光的闪烁指数小于相干光。将实验数据与Andrews等人建立的闪烁指数理论模型进行比较，得出了较为一致的结论。

通过对该系统采集到的法布里-珀罗(F-P)标准具透射谱和光纤布拉格光栅(FBG)传感器反射谱进行寻峰算法以及拟合算法的研究,采用C语言编程和LabVIEW编程相结合的方式,实现了FBG波长信号的解调。其中,由于系统采集到的F-P透射谱和FBG反射谱线时域信号数据都由离散点构成, 且在3 dB带宽内均符合高斯曲线分布,采用高斯拟合对采集到的信号数据进行寻峰处理,提高系统精度;又由于分布式反馈(DFB)激光器的波长扫描存在着一定的非线性,采用二项式拟合对DFB激光器的波长扫描曲线进行拟合,以降低其非线性导致的误差。另外,设置一路标准FBG传感通道用于波长校准。实验研究表明该系统稳定性良好,波长测量范围为1 550.012~1 554.812 nm,分辨力为1 pm,精度为±10 pm,验证了该系统可用于FBG波长信号检测的可行性。

给出了部分相干平顶光束通过非Kolmogorov湍流传输的湍流距离解析表达式,并研究了非Kolmogorov湍流的湍流广义指数、内尺度、外尺度和光束参数对部分相干平顶光束湍流距离的影响。研究表明: 湍流距离随相干参数、束腰、外尺度(当湍流广义指数的取值为3.6~4.0时)的增大而减小；随光束阶数、内尺度的增大而增大；随湍流广义指数先减小后增大,且在湍流广义指数取3.11时存在极小值,即光束扩展的极大值。同时利用湍流广义指数及光束参数,具体比较了湍流距离与瑞利区间的大小,并指出光束参数及湍流广义指数决定了湍流是否在瑞利区间内就能对光束扩展构成明显的影响。

利用云和气溶胶粒子的光学特性软件包(OPAC)对陆地型、海洋型、沙漠型和极地型四种典型类型气溶胶的吸收光学厚度进行了计算统计分析, 根据每一种类型气溶胶成分的差异, 分析了气溶胶吸收光学厚度随波长及相对湿度变化的规律, 建立了四种典型类型气溶胶吸收光学厚度与波长、相对湿度的定标关系。气溶胶吸收光学厚度随波长的幂指数衰减规律并不是在所有波长范围内均满足, 不同类型的气溶胶, 其适用的范围不同；气溶胶吸收光学厚度随波长和相对湿度的变化主要受气溶胶成分影响, 相对湿度的增大会导致气溶胶吸收特性的降低, 并会对吸收Angstrom指数造成影响。根据建立的气溶胶吸收光学厚度的定标关系, 可由气溶胶激光雷达等设备实测的某一波长的光学参量计算光电系统对应波长、不同相对湿度情况下的光学特性。

采用真空磁控溅射方法制备了CuO/Al2O3/Al,(CuO/Al)Ⅱ/CuO/Al2O3/Al,(CuO/Al)Ⅷ/Al2O3/Al三种复合飞片, 利用激光共聚焦显微镜和扫描电镜对复合飞片进行表征, 结果表明,不同材料膜层的分界面清晰可见, 复合薄膜的表面结构致密, 颗粒基本尺寸可以达到nm级, 均匀性好。利用光子多普勒测速技术对三种复合飞片速度进行测量, 结果表明: 将飞片靶放置在空气电离点偏前的位置(入射激光方向), 增大聚焦光斑, 能改善激光电离空气引起的能量屏蔽作用；含能烧蚀层CuO/Al的存在, 有助于提高飞片速度。在含能薄膜烧蚀层厚度一定的情况下, 增大周期、减小每层薄膜厚度, 有助于提高含能薄膜反应程度, 减小飞片上升沿时间。在同等激光能量密度下, (CuO/Al)Ⅷ/Al2O3/Al的上升沿时间低于(CuO/Al)Ⅱ/CuO/Al2O3/Al。

由于场景中目标与背景的温差相对较小, 红外图像会存在对比度低、视觉效果差的问题, 针对这一问题, 提出一种基于奇异值非线性修正的红外图像对比度实时增强方法。该方法首先对红外图像进行奇异值分解得到其原始奇异值, 然后采用一个对数型非线性变换对图像奇异值进行优化, 最后根据修正的奇异值重构出对比度增强的红外图像。利用对数型非线性变换修正图像奇异值不仅能够有效拉伸奇异值的动态范围, 同时可优化奇异值的变化梯度, 使图像的能量信息得到更充分地表达, 改善红外图像不良的视觉效果。实验结果表明, 该方法较几种对比方法在视觉效果和客观评价方面均具有更优的增强性能；同时体现出良好的实时性, 为实现红外图像的实时增强提供了新途径。

建立了基于流固耦合的高超声速飞行器舵面结构在激光辐照下静气动弹性模型, 流体控制方程为三维雷诺平均N-S方程, 分别采用了中心格式和AUSM+up格式对粘性项和对流项进行空间离散, 时间推进采用了高斯-塞德尔隐式推进方法, 湍流粘性系数求解使用Menter SST模型。利用冯·卡门研究所高超风洞实验结果对模型进行了校核, 预估了激光辐照对高超舵面的热力影响。结果表明, 气动力/热计算模型与实验数据符合较好, 能够准确模拟高超飞行器的热力参数, 根据模型外推结果, 激光在较低功率下加热高超飞行器舵面可能导致舵面材料弹性模量大大降低, 继而发生弯曲发散而折断, 高超飞行器可能因此发生气动失稳而坠毁。

基于三能级速率方程理论, 结合惠更斯-菲涅尔衍射积分公式, 利用分步光束传播方法建立了半导体泵浦碱金属蒸气激光器(DPAL)端面泵浦3D理论计算模型, 用于模拟研究铷蒸气激光器的泵浦阈值特性。该模型将光束传播、光与物质相互作用独立考虑, 利用迭代算法求解。考虑激光器腔内模式与泵浦光模式匹配对阈值特性的影响, 模拟了单端泵浦铷蒸气激光器内部的三维动力学过程。在具体算例中研究了模式匹配最佳时, 在阈值工作状态下铷蒸气室中的三维粒子数分布, 以及沿不同轴线的增益分布。仿真了在最佳模式匹配位置附近, 泵浦光模式变化对阈值特性的影响。根据蒸气池中粒子数分布和光场分布具体分析了模式匹配影响阈值特性的机理。同时还模拟了不同长度蒸气池对阈值特性的影响。结果表明, 腔参数与泵浦光模式之间存在一定的关系, 对于特定的泵浦光模式, 存在恰当的腔参数, 使得阈值达到最小。

针对变形镜自身受强激光辐照后热变形问题, 利用ANSYS的多物理模型建立了变形镜的热机械模型并进行了计算。针对受强激光辐照后变形镜吸收了部分热量并产生了0.9 μm的变形量, 根据该变形镜热畸变分布特征, 提出了一种利用补偿镜对热畸变进行补偿的方法, 即在一个薄型镜面背后用一些约束头固定构成补偿镜, 放置在变形镜的后续光路中。约束头在补偿镜上的位置与极头在变形镜上的位置对应错开分布。对三种不同形状约束头的补偿镜进行了计算, 补偿后综合变形量降低到0.35, 0.32和0.40 μm。利用光束传输因子(BPF)对理想光束通过补偿镜后的效果进行评价, 结果表明通过三种补偿镜后BPF值从0.906提高到了0.966, 0.971和0.957。进一步的计算表明, 补偿效果受约束头尺寸的影响较小。

利用温度脉动仪对大气折射率结构常数进行测量, 通过在铁塔上不同测量高度架设温度脉动仪,对戈壁地区近地面层开展长期连续测量。从各测量高度折射率结构常数的累积概率、偏度与峰度、季节变化、高度经验关系等四个方面对大量实验数据统计分析,结果表明: 测量地区大气折射率结构常数白天和夜间的累积概率以18 m为区别界限,表现出明显的不同；所有测量高度折射率结构常数的概率分布均表现出右偏、平峰特性；季节变化对低层折射率结构常数的影响更为明显；测量地区折射率结构常数随高度变化的经验公式表明,白天折射率结构常数随高度递减接近“-2/3”指数, 夜间折射率结构常数的高度变化则是表现出层次性, 低层折射率结构常数随高度递减接近“-0.16”指数, 而高层变化则接近“-1.05”指数。

在多聚焦图像的融合过程中, 对源图像采用固定大小的分块会导致融合后的图像存在块效应、边缘模糊甚至聚焦错误。为了克服此问题, 提出了一种新的基于人工鱼群优化分块的多聚焦图像融合方法。首先, 将源图像分解成互不重叠的方块, 利用聚焦准则选取清晰度高的方块, 将已选择的方块合并重构成初始融合图像。然后, 利用改进的人工鱼群优化算法, 根据一定的适应度值, 寻找最优大小的分块方式, 获得更优的融合图像。 该方法与基于空域、频域及其他优化算法的融合方法进行了多个实验比较, 结果表明, 该方法获得的融合图像具有较好的客观质量和主观视觉感觉。

在安保工作中, 为快速发现狙击手, 构建了利用狙击镜的猫眼效应原理来发现目标的系统。该系统不同于传统的采用连续激光扫描视场, 而采用可调制半导体激光器为探测光源, 在调制信号的控制下照射视场, CCD接收相应的主被动回波图像。并根据目标距离不同所成图像特征不同的特点, 提出了分别针对远近目标的识别算法, 最终在嵌入式DSP高速处理平台上进行图像处理实现。外场实验结果表明, 主被动图像相结合, 且利用远近目标不同的识别算法, 有效提高了探测率, 降低了虚警率, 系统准确探测到了300 m近目标和800 m远目标, 并达到10 frames/s的实时处理速度。

为了减少红外图像中背景边缘对检测的影响, 提出了一种具有鲁棒性的弱小目标检测算法, 该算法利用核各向异性扩散模型进行背景预测, 再与原图像差分实现弱小目标检测。为了提高算法的自适应能力, 提出了一种鲁棒性扩散系数, 能够根据图像背景的起伏程度自适应调整扩散系数曲线的陡峭程度。实验结果表明, 与现有的检测算法相比, 该算法能够在不同类型的复杂背景下有效抑制背景及其边缘, 保留目标大小, 降低虚警率, 具有更强的鲁棒性。

在远场散斑投影成像系统上整合大气闪烁指数测量功能, 有助于全面分析激光大气传输特性及其对光电系统性能的影响。但是在大口径接收时, 大气闪烁会因孔径平滑效应而变得微弱, 光源稳定性引起的强度起伏会更为明显。针对这一问题, 基于光源强度起伏和大气闪烁的乘性调制假设, 建立了考虑光源强度起伏的大气闪烁指数的测量模型。利用光源强度起伏不随孔径变化而大气闪烁随孔径变化这一差异性, 通过投影光学在同一时刻测量两个不同接收孔径上的光强闪烁, 结合弱起伏条件下的孔径平滑因子来求解测量模型, 从而分别估计大气闪烁指数和光源强度闪烁指数。实验结果表明, 在孔径0.05 m至0.4 m之间, 实测值和理论估计值的最大相对误差小于9.685%, 理论模型与实验符合度较高。采用该方法可以在投影光学上实现弱起伏条件下的大气闪烁指数估计。

为了提高熔石英元件表面抗激光损伤阈值, 利用超声波辅助HF酸研究平滑光学元件表面缺陷形貌和去除刻蚀后残留物效果, 通过扫描电子显微镜电镜和原子力显微镜记录表面形貌结构, 以及单脉冲激光辐照测试抗损伤阈值确定实验参数。研究表明, 超声波场的引入能催化HF酸的刻蚀速率、提高钝化效果并且更易剥离嵌入的亚μm级杂质粒子。经过实验测试, 获得了熔石英类元件相匹配的超声辅助HF酸刻蚀实验参数, 研究结果对应用超声波辅助HF酸研究熔石英表面抗激光损伤有重要意义。

为了减小激光诱导等离子体发射光谱中光谱线的自吸收效应, 提高激光光谱分析技术对物质中高含量元素的检测水平, 实验采用了一种平面反射镜装置约束等离子体, 比较了有或无平面反射镜装置时光谱线的线型变化。实验表明, 在无平面反射镜装置时, 样品元素Al, Mg和Mn的光谱线半高全宽度分别为0.16, 0.24, 0.058 nm, 而采用由四块平面反射镜组成的装置在空间上约束激光等离子体时分别为0.11, 0.13, 0.047 nm。结果表明, 光谱线的自吸收明显减小, 谱线线型变得比较锐且强度显著提高。通过观测等离子体照片, 测量等离子体温度和电子密度, 分析讨论了激光光谱自吸收效应降低的原因。

对径向电子束在浸没式聚焦条件下的传输特性进行了理论分析, 得到了束流传输过程中轴向扩张幅值与外加引导磁场强度之间的解析表达式。阐述了螺线盘在空间中任意一点产生磁场的理论, 给出了通以相反方向电流的螺线盘之间磁场的分布规律。设计了一种基于螺线盘聚焦径向电子束的引导磁场系统, 并对电子束的传输特性进行了仿真研究, 结果表明径向电子束能够在设计的引导磁场系统下实现束流的稳定传输。

利用等效电路理论, 初步设计了窗片厚度为1.32 mm的回旋行波管盒型输出窗, 再加入感性膜片, 更改窗片形状, 最终设计出了能承受25 kW平均功率、相对带宽达到14%、窗片厚度达到1.7 mm的Q波段新型宽频带回旋行波管盒型输出窗；采用高频软件HFSS与有限元分析软件ANSYS协同仿真的新方法对回旋行波管盒型窗进行热特性研究表明, 盒型窗理论上功率容量达到62 kW平均功率, 说明输出窗窗片承受25 kW平均功率的可行性, 窗片中心与边缘的温差为66 ℃, 没有达到陶瓷窗片的临界温差158 ℃, 验证了新型盒型窗设计的合理性。

肖特基二极管是太赫兹接收机的关键器件,通过在高频下对不同封装形式的肖特基二极管进行建模仿真,研究不同封装方式对肖特基二极管性能的影响。首先通过建立肖特基二极管的仿真模型,在高频结构仿真软件HFSS中对肖特基二极管在0~120 GHz频段进行仿真,得到该肖特基二极管的S参数,并对S参数仿真结果和实测结果进行对比,证明了该二极管模型的准确性。然后分别建立肖特基二极管的普通封装模型和肖特基二极管的倒装芯片(flip-chip)封装模型,并对这两种封装模型进行仿真,得到其在两种不同封装结构下的S参数,进而对两种不同封装方式的S参数的-3 dB带宽以及相位一致性进行对比分析。最终,对应用于太赫兹波段的肖特基二极管由于封装不同而带来的带宽以及相位的区别及其成因进行分析,论证了flip-chip封装更适合应用于太赫兹波段的肖特基二极管,与普通封装相比,该封装在高频下对肖特基二极管的电性能有比较大的改进。

分析了两种常用来计算等效电导率的理论公式, 并加工了折叠波导慢波结构进行冷测实验验证。在粗糙度为0.3 μm时, 0.14 THz电磁波在无氧铜中传播的等效电导率约为4×107 S/m, 这与已有理论公式的计算结果并不一致。最后初步讨论了这种不一致产生的原因, 并提出了修正相关理论公式的想法。

对电子束能量沉积剖面的变化规律进行了解释, 给出了由能量损失函数和能量沉积效率函数之积表示的定性的能量沉积函数表达式。在此基础上, 给出了一种关于能量沉积剖面的电子束等效入射角计算方法, 分析了方法所带来的影响和适用的范围, 采用蒙特卡罗方法对等效结果进行了验证。证明该方法优于入射角的算术平均, 尤其在靶材浅层与混合束符合较好。

应用蒙特卡罗方法求解几何因子, 基于蒙特卡罗方法的几何因子计算程序使用C++语言编写, 可用于任意位姿的各种尺寸的圆面探测器对圆面源几何因子的计算。该程序使用了方差减小技巧。通过与国际通用蒙特卡罗计算程序(MCNP5)的计算结果对比, 该方法具有结果准确(误差较小)、计算速度快、使用方便等优点。最终使用该程序计算几何因子, 与实验数据进行对比, 成功验证了中子深度分布分析(NDP)能谱测量系统探测器位姿的准确性(误差5%以内), 并对其移动位置进行修正, 发现电机移动20 mm大约会产生1 mm的误差。

为研究超高速碰撞天然白云石板产生闪光温度衰减阶段的演化特征, 利用二级轻气炮和瞬态光纤高温计, 进行入射角度(与靶板平面的夹角)为45°、碰撞速度分别为1.9, 4.2 km/s两种条件下的超高速碰撞实验。根据冲击波理论, 推导出超高速碰撞天然白云石板产生闪光温度衰减阶段的半理论半经验公式。分析结果表明, 弹丸撞击靶板的速度越高, 闪光辐射温度衰减的持续时间越长。闪光辐射温度衰减阶段的理论推导与实验数据一致性较好, 闪光辐射温度衰减阶段的理论推导可对类似碰撞问题闪光辐射温度衰减阶段进行预估。

为突破传统半导体核探测器耐高温与抗辐照性能不足的瓶颈, 采用4H-SiC宽禁带半导体材料研制了4H-SiC探测器, 并研究其构成的探测系统对α粒子的能量分辨率和能量线性度。所研制4H-SiC探测器漏电流低, 当外加反向偏压为200 V时, 其漏电流仅14.92 nA/cm2。采用具有5种主要能量α粒子的226Ra源研究其构成的探测系统对α粒子的能量分辨率, 获得4H-SiC探测系统对4.8~7.7 MeV能量范围内α粒子的能量分辨率为0.61%~0.90%, 与国际上报道的高分辨4H-SiC探测系统能量分辨率一致。同时, 实验结果表明: 4H-SiC探测系统对该能量范围内α粒子的能量线性度十分优异, 线性相关系数为0.999 99。

利用小孔成像原理对中能电子成像仪探头的机械结构进行了设计, 为保证探头单元暴露于外辐射带辐射环境12年的总剂量小于5 krad, 确定其壳体厚度为约3 mm的铜, 探头的角分辨率为20°；根据带电粒子在硅中的能量损失规律对探测器进行了防质子污染设计, 确定了探测器厚度为1000 μm, 其屏蔽层厚度为10 μm等效硅。最后对设计探头的质子污染率进行了计算, 结果表明该中能电子成像仪探头的设计满足外辐射带空间中能电子探测的需求, 为中能电子成像仪的研制奠定了基础。

通过理论模拟与实验相结合, 研究了以双层膜的方式实现三波长增透的途径。以正硅酸乙酯为前驱体, 采用酸催化与碱催化溶胶混合的方式调控了溶胶折射率, 并配制了双层复合膜所用的两种溶胶, 制备出了351 nm处透过率大于99.5%, 527 nm透过率大于98%, 1053 nm透过率大于98%的三波长增透膜。用扫描电镜、原子力显微镜观测了膜层结构, 用椭偏仪和分光光度计对膜层性能进行了表征。三波长增透膜对高功率激光装置的运行性能提升起到了积极的促进作用。

将银镜反应与金属催化化学刻蚀相结合, 在室温附近成功地制备出了硅纳米线尖端阵列, 其长度为4~7 μm, 中间部分的直径在100~300 nm之间。该方法操作简单、高效、无毒、可控以及低成本, 且不需要高温、复杂的设备, 对环境也没有特殊要求。性能测试结果显示: 该硅纳米材料能够有效实现电子发射, 开启电场约为2.7 V/μm(电流密度10 μA/cm2处)；硅纳米尖端阵列的场增强因子约为692, 可应用在场发射器件之上。

薄膜体声波谐振器(FBAR)的谐振频率会受到外界环境温度的影响而产生漂移,对于FBAR滤波器而言,这种温度-频率漂移特性会导致其中心频率、插入损耗、带内纹波等性能发生变化,降低其在电学应用中的可靠性。应用ANSYS有限元分析软件,对一个典型Mo-AlN-Mo三层结构的FBAR进行了温度-频率漂移特性的仿真,得到其在[－50 ℃, 150 ℃]温度范围内的频率温度系数(TCF)约为－35×10－6/℃。在FBAR叠层薄膜结构中添加了一层具有正温度系数的二氧化硅温度补偿层,分析了该补偿层厚度对FBAR的温度-频率漂移特性、谐振频率和机电耦合特性的影响。设计了具有一层二氧化硅温度补偿层的FBAR叠层,由Mo/AlN/SiO2/Mo多层薄膜构成,仿真得到其频率温度系数为0.872×10－6/℃；与没有温度补偿层的FBAR相比,温度稳定性得以显著改善。

脉冲变压器与陡化开关结合的方式是产生纳秒脉冲较为成熟的方式, 采用这种方式, 研制了一种基于空芯Tesla变压器和陡化开关的紧凑高压重复频率纳秒脉冲源。该脉冲源主要由重复频率充电模块、Tesla变压器和陡化开关三部分组成, 重复频率充电模块主要通过晶闸管的时序配合实现, Tesla变压器为脉冲源装置系统的核心及主升压模块, 陡化开关是一个三电极自击穿型气体开关, 用于将变压器次级输出的电压陡化成纳秒快脉冲波形, 对该重复频率脉冲源以上各部分进行了详细的设计和测试。实验结果表明, 该脉冲源可以在6 kΩ的负载电阻上输出幅值100 kV、上升沿约为30 ns、最高频率可达500 Hz的高压纳秒脉冲。

在二维单介质磁驱动数值模拟程序(MDSC2)的基础上, 采用局部结构整体非结构的网格拼接方法, 研制了处理滑移界面的二维多介质程序。二维多介质程序解决了单介质程序无法处理的电极与飞片之间相互作用的模拟问题, 能更准确地模拟磁驱动发射实验的飞片状态。计算结果表明: 发射飞片的自由面部分始终保持固体密度状态；自由面速度历史和VISAR测量的速度曲线相吻合；飞片中间部分在电流加载过程中始终具有良好的平面性, 飞片两端出现拖尾质量, 产生不稳定性, 这是由于飞片两端与飞片中间部分的磁场强度分布不同造成的。

为了验证基于电磁感应原理的脉冲发生器的可行性, 设计了一种小型脉冲发生器试验模型。对发生器的初始磁场与磁芯转变过程进行了分析与计算, 建立了发生器的等效电路模型, 并结合试验测量的负载电阻电压得出发生器的感应电压。设计的发生器整体直径约70 mm, 长度约85 mm, 其中磁芯直径为25 mm, 长度为25 mm, 提供初始磁场的永磁体厚度为10 mm, 试验得出发生器感应电压峰值为784.5 V, 与理论计算结果基本吻合, 验证了发生器的可行性。

为回旋行波管设计了全固态近方波Marx高压脉冲调制器, 设计参数: 输出电压70 kV, 输出电流15 A, 工作频率0~2 kHz可调, 脉宽200 μs可调, 功率容量可以达到百kW级。设计利用串联IGBT作为控制开关, 利用FPGA通过光纤传输的方式对IGBT进行逻辑控制、电路保护和监测, 补偿单元利用FPGA控制IGBT自动补偿的方式对顶部压降进行补偿, 使得输出电压平顶度达到±1%。对电路各个部分进行仿真及测试。结果验证此设计方案的可行性, 可以提高回旋管电源的稳定性和工作频率, 减小调制器体积及维护成本, 并为高压测试提供了实验基础。

针对加速器驱动次临界系统(ADS)注入器Ⅱ的控制中对于同步触发信号的要求, 设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的高精度同步控制器, 它能为加速器设备提供同步工作所需的脉冲信号。控制器采用粗延时结合精延时的方式, FPGA实现粗延时, 专用延时芯片实现精延时, 提高了延时精度, 同时增大了延时、脉宽及周期的调节范围。测试结果表明, 该控制器输出脉冲的最小延时步距为0.25 ns, 延时、脉宽及周期调节范围为1 μs~2 s, 周期抖动的标准偏差为70 ps。该控制器输出信号满足要求, 程序界面操作简便, 通过串口RS-422远程控制稳定可靠。

Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆(Z-FFR)以较长周期(10 s)脉冲式运行, 为实现3000 MW的热功率输出, 单个脉冲需要产生的能量较大, 包层和第一壁在强热冲击下的瞬态传热和温度特性是决定Z-FFR技术可行性的关键问题之一。通过理论计算, 分析了在连续脉冲作用下包层和第一壁温度随时间的变化规律。同时以输出恒定的电功率为目标, 提出了展平系统输出功率的简便方法, 并分析了出口冷却剂温度的波动特性。结果表明材料最高温度均在安全限值内, 第一壁表面瞬时高温层厚度约为0.5 mm, 系统输出功率波动幅度在-2.84%~+2.05%范围内。

作为一种有竞争力的能源系统, Z箍缩聚变裂变混合堆(Z-FFR)正在开展概念研究, 包层研究正是其中重要的一部分。建立了Z-FFR包层设计模型, 分析了包层影响因素、中子平衡、通量与功率密度、燃耗等方面, 表明该包层设计在50年内能量放大因子、氚增殖比和燃料增殖比的平均值分别为14.91, 1.294和5.140, 满足设计要求。针对聚变源的脉冲特性进行了包层的瞬态中子学分析, 发现燃料区中子脉冲可分为聚变中子、瞬发裂变中子和缓发裂变中子脉冲三个部分, 绝大部分热量约在0.01 s内沉积。结果较完整地给出了Z-FFR包层的中子学参数, 为概念研究提供了基础。

为计算混合堆在未来燃料循环过程中起到的作用, 进行了混合堆共生系统物料平衡计算。根据我国核电发展现状和中长期发展规划及中长期(2030年、2050年)发展战略研究, 并充分考虑了我国经济发展速度、人口数量和人均用电量, 计算得到了2100年之前, 我国核电机组装机容量。假定不同堆型搭配的混合堆共生系统核燃料循环的4种情景并建立对应的物料平衡模型进行计算。计算结果表明, 压水堆、混合堆和快堆共生模式能最大限度的减少天然铀的需求和节约乏燃料处置费用。

基于多质点薄壳模型对准球形丝阵负载参数进行优化, 使得终态等离子体具有预期的内爆特性。通过对丝阵初始位形优化, 可以获得期望的终态等离子体壳纵横比, 并且终态纵横比对负载初始质量变化不敏感。对于固定电流波形(峰值1.2 MA、上升时间80 ns), 优化计算了初始丝长度15.4 mm的丝阵线质量。结果表明, 当丝阵初始线质量约为150 μg/cm时, 赤道半径为2 mm、纵横比为1的终态等离子体壳具有最大动能1.5 kJ。同时, 还针对不同幅度及上升时间的电流进行优化计算, 计算结果表明终态等离子体壳的优化的最高动能与电流峰值平方成正比, 与最高动能相应的线质量与电流上升时间平方成正比。

将LiAlO2陶瓷小球置于裂变反应堆中辐照, 采用热解吸技术研究该类产氚材料的堆外放氚特性, 考察了升温速率、载气组分、催化活性元素和提氚温度对氚释放行为的影响；采用电子自旋磁共振(ESR)实验技术研究了辐照缺陷的顺磁特征。结果表明:LiAlO2中氚的扩散速度慢, 热解吸活化能高, 氚释放主要分布在750~1000 K；表面氢同位素交换反应贡献大, 释氚形态受载气条件的影响较大, 当氦气中添加H2时, 会增大HTO转化成HT的比例；中子辐照会在LiAlO2中诱生F+,O-和O2-等缺陷色心, 其退火湮灭行为与氚释放过程存在一定关系。

增殖剂球床是聚变堆或混合堆产氚包层可选结构之一, 准确把握增殖剂球床中载带气体的流动特性有助于提高对球床载氚过程的认识并优化包层设计。采用离散元程序PFC3D模拟增殖剂小球的填充行为, 在球床内不同位置随机截取不同尺寸的控制体, 利用布尔运算中的“差集”得到孔隙范围, 建立孔隙分布的三维几何模型, 进一步划分网格并用计算流体力学(CFD)方法求解, 得出控制体上单位长度的压降以及单元体内的速度分布特征, 计算结果发现载带气体速度分布与γ分布很类似, 且只要选取恰当的控制体, 通过计算流体力学方法可以较好地分析整个球床孔隙内流体的流动, 有利于进一步研究载氚及相关过程。

针对中国工程物理研究院混合堆次临界能源包层, 提出了一种新型的严重事故缓解系统--工程通道注水系统, 采用通道注水的方法直接导出燃料区衰变热, 同时与非能动安全壳冷却系统结合, 实现燃料区非能动长期冷却的建立, 阻止燃料区熔化进程发展, 保证次临界能源包层的完整性。在保守假设条件下, 当燃料区温度达到1220 ℃时, 工程通道注水系统投入运行即可完成严重事故缓解功能。

采用程序升温热解吸(TPD/TDS)方法对Li4SiO4陶瓷小球的水解吸行为进行了实验研究。结果表明: 水解吸过程中主要存在四个解吸峰；其中100 ℃附近的峰可解释为物理吸附水；150, 250, 400 ℃附近的峰可分别解释为以氢键、Li－OH和Si－OH配位键形式存在的化学吸附水。氚的释放与水的解吸几乎同步进行, 且氚的释放形式主要为氚水(HTO), 据此推测, 氚水可能存在三种释放机制: (1)－OT+H2O→－OH+HTO；(2)－OH+－OH→H2O, －OT+H2O→－OH+HTO；(3)－OT+－OH→HTO。

等离子体排灰气处理系统是聚变反应装置氘氚燃料循环系统中极为重要的环节。该系统的主要功能是从反应后的排灰气中回收剩余的氘氚燃料, 并处理壁材料净化、系统维护等非正常运行模式以及分析与辅助系统中产生的含氚杂质气体。介绍了国际上聚变堆等离子体排灰气的组成和主要处理工艺, 简述了钯膜分离、膜反应及催化反应-膜分离、电解反应、分解反应及氧化-分解等各关键单元技术的基本原理和研究进展, 并进行了分析和评价, 提出了目前国内在该领域需要开展的研究工作。

利用蒙特卡罗程序和辐照损伤程序, 通过构建模型, 对常用的第一壁材料W, Fe, Be的中子辐照造成的离位损伤、裂变气体产生量进行了模拟计算, 结果表明, 混合堆与纯聚变堆相比, 可以明显降低对第一壁材料的损伤要求。在W, Fe, Be三种材料之中, 对于纯聚变堆来说, Be的离位损伤最小；对于混合堆来说, W的离位损伤、裂变气体产生量最低。从中子辐照损伤的角度来说, Be更适宜作纯聚变堆的第一壁材料, 而W则更适宜作混合堆的第一壁材料。

为了验证国际热核聚变堆(ITER)的产氚和能量获取等性能, 各国分别提出了不同的实验增殖模块(TBM)设计方案。其总体功能相同, 但具体技术路线有区别, 不同之处包括冷却剂选择、产氚材料选择、中子倍增剂选择、产氚区布置形式、面向等离子体材料选择、结构材料选择等方面。通过对各TBM方案进行比较分析, 评价了各自的优缺点, 提出了未来先进产氚包层方案的设计建议。

利用MULTI程序建立了大空间-时间尺度、Z-FFR聚变靶室气体氛围的辐射流体力学模型,研究了聚变X射线能量传输、气体氛围温度密度演化以及冲击波的形成和传播等物理过程,获得了第一壁表面辐射温度、冲击压力随时间的变化等重要参数。同时利用Geant4程序计算了静态X射线在第一壁耐烧蚀涂层中的能量沉积分布,研究了不同能量X射线在聚变靶室气氛中的衰减规律。综合动态和静态计算结果,完成了聚变X射线防护初步设计,确定第一壁入射X射线能量密度阈值约为0.2 J/cm2,Ar气氛围压强为2000 Pa。

磁体支撑结构是国际热核聚变实验反应堆(ITER)的重要部件, 对其进行力学特性分析研究是确保整个反应堆正常运行的关键。通过对磁体支撑结构各工况下的强度、刚度的数值分析, 给出了磁体支撑结构对应工况下各零部件的应力分布及变形量；分析结果表明磁体支撑结构各零部件的最大应力值均小于许用应力, 满足强度要求, 各零部件变形合理, 不会出现脱开失稳现象。通过数值分析, 为国际热核反应堆磁体支撑结构提供了理论设计数据, 提升了磁体支撑结构的安全性和可靠性。

详细介绍了ITER驱动的次临界包层结构设计, 沿环向360°整个次临界包层被分成36瓣, 单瓣包层以等离子工作腔为分界面被分为内、外两部分, 分别由第一壁结构、支承结构、燃料区结构、产氚区结构和锆包壳结构等组成。有别于ITER装置现有的小模块包层结构, 单瓣内、外包层被设计成一种整体式内置结构, 从而减少了裂变燃料区中大量内嵌冷却剂压力管道接头数量、缩短了换料周期并节约了成本。同时考虑到ITER装置本体结构空间对次临界包层的限制, 提出了一种既能满足包层热工-流体要求又能实现包层工程焊接安装的管道汇总结构。最后运用Pro/e建模软件建立了包层三维CAD结构图, 为后续结构力学分析输出了有限元计算模型。

根据设计, 未来聚变堆等离子体排灰气中除了氘氚还含有以惰性气体为主的杂质气体, 会在钯膜纯化氢同位素的过程中产生不容忽视的浓差极化现象, 降低排灰气的处理效率。针对这一现象, 以氢氦混合气为源项, 研究了钯膜在分离氢氦过程中浓差极化对渗氢性能的影响, 利用极化系数对浓差极化的程度进行评估, 并考察了渗氢驱动力、氦气浓度以及原料气流量对极化系数的影响。结果表明: 在150,300,450 kPa时的H2/He选择性分别为37 460,18 347和7935, 可以看出钯膜致密性良好；浓差极化系数随着渗氢驱动力和氦气浓度的升高而增大, 对于原料气流量的变化则呈现相反趋势。

利用高温固相法制备了无机质子导体BaZrO3。研究了助熔剂的添加对材料的合成温度及微观形貌的影响。通过添加LiF及Li2CO3为助熔剂, 可以在1500 ℃, 保温8 h合成很好的单相样品。且LiF为助熔剂制备样品的结晶性明显高于Li2CO3为助熔剂制备的样品。XRD精修表明所合成的样品为很好的单相样品。能带计算分析样品的带隙为3.236 eV。通过加入LiF及Li2CO3为助熔剂, 明显改善了样品的微观形貌, 其中LiF为助熔剂样品的颗粒尺寸较小、团聚少, 分散性好。当LiF及Li2CO3添加量为8%时, 晶界处有小颗粒析出, 这种小颗粒为提高材料的质子导电性提供了潜在的可能性。

针对压力管式超临界水堆(PT-SCWR)新型62棒设计,其功率密度与燃料温度、冷却剂密度/温度紧密耦合,利用中子物理分析程序(WIMS-AECL)和子通道分析程序(ATHAS),对该设计堆芯进行核热耦合分析,并进行优化,结果表明该耦合方法是有效的。分析结果指出新型62棒燃料组件设计包壳最高温度和冷却剂出口温度都低于设计限值,满足设计目标；并且可以通过调整内外圈燃料富集度至5.5%和4.6%、调整燃料组件内圈棒束节圆由5.30 cm到5.175 cm,进行优化来获取一个均匀的温度分布；通过对比不同栅距下的慢化剂温度系数和空泡系数,得到一个最佳栅距为21 cm。

频率标定是瑞利测风激光雷达的关键技术。瑞利测风激光雷达中, 通过改变压电陶瓷管的电压实现连续调谐F-P标准具腔长, 使出射激光频率处于双边缘透过率曲线的交点处。在连续调谐时, 由于压电陶瓷管的磁滞效应引起腔长调谐非线性, 从而导致系统误差。分析了该误差的原因及特性, 提出了静态软件补偿和动态调频跟踪相结合的频率标定方法。若激光出射频率相对F-P标准具漂移小于100 MHz时, 在数据反演时补偿该频率偏差；若相对频率漂移大于100 MHz时, 将F-P标准具先退回预设腔长以下, 通过逐步增加电压的方式, 重新实现频率锁定, 保证锁定过程处在磁滞回线的电压上升段, 避免了磁滞效应引起的误差。多普勒激光雷达与无线电探空仪的两组对比实验中, 在15～30 km高度, 风速最大偏差6.22 m/s, 平均偏差1.12 m/s。