利用片状Nd:YVO4晶体为增益介质,研究了部分端面泵浦板条带内泵浦皮秒放大激光系统.发展了部分端面泵浦板条放大器的模式匹配方式,充分结合了带内泵浦和部分端面泵浦板条放大器二者的优势,最终实现了平均功率60.7 W、脉冲宽度16.8 ps、重复频率20 MHz的皮秒激光放大输出,光-光转换效率达到25.3%,当放大输出功率50 W时,光束质量因子(M2)为1.55.

分析了衍射光学元件实现共孔径相干合成的物理过程,建立了基于衍射光学元件的共孔径相干合成数学模型,推导了合成光束复振幅与入射光束和衍射光学元件相位分布之间的关系.提出用合成光束强度分布的均匀性作为评价函数的优化方法,获得了一维衍射合束器的相位分布.与文献报道的衍射光学元件分束器相比,可获得更高的合成效率.采用模拟退火算法结合随机并行梯度下降算法优化合束器设计,提高了计算效率,获得了多束衍射合束器的相位分布和合成效率.分析了单子束失效及合束器像差对合成效率的影响,结果表明:随着合束数量的增加,单子束失效对合成效率的影响逐渐减小;若使合成效率退化小于5%,衍射光学元件的波像差均方根值应控制在λ/28以内.

针对K9玻璃基板的HF酸化学腐蚀工艺开展研究,标定了40%和2%高低两种体积分数的HF酸的腐蚀速率;分析了基板表面形貌随腐蚀深度的变化规律;研究了腐蚀时间、HF酸体积分数、超声波工艺对激光损伤阈值的影响,提出了能够有效减少损伤敏感的氟硅盐沉淀、提高损伤阈值的优化腐蚀清洗工艺流程.采用优化的腐蚀清洗工艺流程进行了实验验证,结果表明用体积分数为2%的HF酸在高温和超声波条件下腐蚀90 s后,测得1064 nm波长激光作用下K9基板抗激光损伤阈值提高了75%.

建立了激光二极管阵列(LDA)侧面泵浦棒状Nd:YAG增益介质时变热效应理论计算模型.采用有限元Ansys软件模拟分析了脉冲LDA侧面泵浦大能量固体激光器的时变热效应特性.研究结果表明,所研究的脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器热效应具有时变特性,介质横截面内中心点处的稳态温度场分布随时间呈锯齿形周期变化,锯齿形变化频率为LDA泵浦频率,脉冲LDA泵浦参数对介质稳态温度场分布有较大影响.分析和计算了介质内热梯度、应力双折射以及激光晶体端面效应等导致的晶体热透镜焦距.计算表明,介质的热焦距主要来源于介质内温度梯度引起的热透镜焦距.

演化硬件作为新的硬件载体,具有自组织、自适应、自修复的能力,是人工智能在高能激光控制方面的一个重要应用.遗传算法是影响硬件演化速度的一个重要因素.针对目前传统遗传算法进化时间长、运算量大的问题,提出了一种改进的猴王遗传算法——种群杂交猴王遗传算法.受自然界生物种群杂交优势的启发,种群杂交猴王遗传算法将参与进化的基因序列划分为Nd个独立进化的子种群.每个子种群独立按照猴王遗传算法进化Td代形成原始种群的Nd个亚种群后,交换亚种群的猴王基因重复猴王遗传操作,在亚种群中产生具有杂交优势的后代.分析表明:与猴王遗传算法相比,种群杂交猴王遗传算法可以将每一代基因排序的运算量减小到1/Nd,并且更加利于并行实现.基于MATLAB和Modelsim的仿真分析表明:种群杂交猴王遗传算法具有更快的收敛速度和更优的进化结果.

在参考监督评价法原理的基础上,提出了三个高分辨率遥感影像分割精度评价指标:准确度、查全率和相对相似性,并以此为基础提出了遥感影像分割精度的评价方法.针对监督评价法的参考对象匹配问题,提出了一种双向局部最优对象匹配方法.同时,通过安徽省淮南市高分一号遥感影像分割结果的精度评价,进行了实验验证.结果表明:该评价指标能够较好地反映分割结果的优劣,符合地物对象分割的真实分布;还可为遥感影像分割算法的参数设置和多尺度分割的最优尺度选择提供依据.

采用压力传感器,分析XeF(C→A)激光器高电压表面放电光泵浦方式不同位置、不同放电电压条件下冲击波特性.研究结果表明,表面放电等离子体膨胀产生的冲击波持续时间为ms量级,在冲击波过后伴随有相对较弱的压力波.随着充电电压增加,放电过程释放能量增多,冲击波峰值压强也变大,最大压强可达1 MPa,同时冲击波峰值延后,冲击波持续时间变长.

介绍了天气数值预报模式的运行流程、模式安装、模拟参数设置等.结合光学湍流的参数化方案,预报了大气光学湍流强度廓线,并与探空气球实测数据对比验证.结果表明,预报的大气光学湍流强度廓线符合高空光学湍流的一般特征和变化规律,但廓线的形状与实测存在一定的差异,并分析产生差异的原因.分析表明,提高预报精度需要改进高空湍流外尺度模式.

针对超音速化学氧碘激光器增益介质的横流特性,设计了具有增益负反馈的光学谐振腔结构,通过化学反应的超音速流场和光场的耦合仿真,根据具体的激光器运行参数,论证了这种结构实现自脉冲激光的可行性.结果表明:振荡激光在增益区上游放大次数越多,对上游增益介质能量提取能力越强,脉冲调制作用越显著.采用激光光斑缩束再放大的结构设计,脉冲激光的峰值功率提高10~20倍,从理论上证明了增益负反馈的调制方法能够实现横流激光器脉冲激光输出.

基于激光主动成像的烟雾环境下的目标探测具有重要研究意义,有效抑制光的散射作用是提高烟雾环境下成像质量的关键.根据光的偏振理论,仿真分析了光子单次散射的偏振特性与散射角的变化关系,并利用蒙特卡罗方法模拟了光在烟雾环境中传输的偏振特性,提出了利用偏振差法来抑制光散射作用,最后进行了简单的成像实验.结果表明,光在烟雾中传输时散射光主要由小角度散射光构成,仍然保留了初始激光的部分偏振特性,相比于直接灰度成像,偏振差法能够有效滤除小角度散射光的影响,增强成像目标的细节信息和图像的对比度.

采用光束整形和空间合束的方法,研制出高功率、高效率多阵列光纤耦合半导体激光模块.将波长为976 nm连续工作的5个标准半导体阵列,通过对快轴进行准直和快慢轴光束旋转的方式进行光束整形,准直后进行空间合束,经耦合透镜聚焦,耦合入芯径400 μm、数值孔径0.22的光纤.测量结果显示:光纤的出光功率最大可达到327 W,光纤耦合效率大于93.6%.

相干测风激光雷达中一个核心的问题是从微弱的气溶胶后向散射信号中估计出风速.基于零均值复高斯随机过程协方差矩阵统计模型的后向散射信号,首先讨论了最大似然(ML)离散谱峰值(DSP)风速估计算法的克拉美-罗下界(CRLB)与由Fisher信息矩阵论得到的精确CRLB之间的关系.其次,对于ML DSP估计应用于相干测风激光雷达中协方差矩阵统计模型的后向散射信号时,使用计算机Monte Carlo仿真的方法研究了风速估计的概率密度函数.分别讨论了信噪比、激光脉冲累积发数和发射激光脉冲宽度对ML DSP风速估计性能的影响.计算仿真结果表明:ML DSP风速估计的CRLB低于精确的CRLB;在信噪比为-20 dB,100发激光脉冲累积和信噪比为-30 dB,10 000发激光脉冲累积条件下,ML DSP风速估计中“坏”的估计值所占的比例都为0,“好”的估计值的标准差分别为0.62 m/s和0.50 m/s.

设计了一种基于啁啾光纤布拉格光栅的新型加速度传感器,该传感器主要由矩形悬臂梁构成的传感机构和光纤光谱仪及光电探测器组成.导出了啁啾光纤布拉格光栅的反射谱带宽与加速度的关系;通过光谱仪检测啁啾光纤布拉格光栅反射谱的带宽或检测光电探测器输出的电压,即可获得加速度的大小.实验结果表明,该啁啾光纤布拉格光栅反射谱带宽及光电探测器输出的电压对温度变化不敏感,且在0~700 m/s2测量范围内,反射谱带宽与加速度间具有良好的线性关系.由于反射谱带宽展宽造成了光纤布拉格光栅反射率的降低,因此光电探测器输出电压的线性响应范围只能达到0~35 m/s2,带宽和电压灵敏度分别达到0.005 6 nm·m-1·s-2和0.785 6 m V·m-1·s-2.

平面波导激光器的激光介质既能实现大模体积运转,又在一维方向起到波导作用从而获得高光束质量激光输出,近年来成为高平均功率固体激光器的重要研究方向之一.对国内外平面波导激光器的研究进展进行了归纳总结,对比和分析了平面波导的双包层波导结构、梯形波导结构和自成像结构等结构特点,分析了平面波导结构的发展及趋势,并提出了平面波导激光器发展成为高功率激光器的一些限制因素.

数值模拟研究了高速气流作用下激光加热金属平板温度场.流体控制方程为三维雷诺平均Navier-Stokes方程,固体控制方程为能量方程,湍流粘性系数求解使用k-ε两方程模型.采用流固耦合计算方法,使用两相流模型模拟气流对烧蚀物的剥蚀,较完整地模拟了激光辐照金属材料的物理变化过程,计算得到了不同气流速度下金属平板的温度分布以及烧蚀形貌.分别使用两相流方法和动网格方法对高速气流作用下激光对金属板的烧蚀效应进行了计算,结果表明,两相流方法与动网格方法都能较好地模拟高速气流作用下激光加热金属平板的温度响应,由于两相流方法能够较全面地模拟对流换热、熔化与凝固过程以及金属液体在气流冲刷下的动力学过程,因此能获得比动网格方法更为合理的物理图像.

建立了半导体泵浦亚稳态惰性气体激光器(DPRGL)速率方程模型,以Ar为例,仿真分析泵浦强度、亚稳态原子数密度以及增益介质长度对DPRGL工作性能的影响.结果表明：高泵浦强度(约kW/cm2)条件下DPRGL理论上具有大于55%的光-光效率;亚稳态原子数密度和增益介质长度对激光器性能影响具有等价性;实际中需综合优化泵浦强度、亚稳态原子数密度、增益介质长度等激光器参量以实现激光器最大的光光转换效率.

基于偏振合成技术,以提高系统的合成效率为目的,针对合束过程中存在的几种主要系统误差进行了系统分析和定量计算.结果表明,相对于重叠误差、角度倾斜和偏振合束器的吸收损耗而言,半波片的调整误差是导致合成效率下降的主要因素,尤其是在系统向多路合成拓展时,其影响更加显著.若偏振合束器自身损耗为0.015,光束倾斜角为2°,重叠误差为5%,则16路光束的偏振合成效率仍高于92.5%;当半波片方位角出现0.045 rad的偏差时,即使不考虑其他误差,系统合成效率低于74%.

在利用CMOS阵列探测器成像时,探测阵列单元间的串扰将直接影响器件成像质量.为了更好地了解串扰对器件响应过程的影响,针对CMOS图像传感器的电串扰特性进行了分析,建立了电串扰数学分析模型,对电串扰的大小进行了定量计算.具体分析了不同扩散长度、感光面积、耗尽层宽度、像素尺寸和温度对电串扰的影响.分析结果表明,感光面积、耗尽层宽度与像素尺寸对电串扰的影响最大,扩散长度和温度对电串扰的影响相对较小.感光面积由3.8 μm2增加到12.8 μm2后,归一化的电串扰减小了约13%;像素尺寸由7 μm×7 μm增加为15 μm×15 μm时,电串扰增加了约95.4%;温度由100 K增加到180 K后,电串扰下降了约0.6%.

从耦合波理论出发,采用纵向受激布里渊散射(SBS)模型,通过时域有限差分法数值求解了瞬态SBS耦合波方程组,得到了泵浦光、Stokes光强度及声波产生应力随时间的分布;研究了在三种常见波长激光(基频、倍频和三倍频)作用下SBS效应的发展过程及其对光学材料损伤过程的影响.结果表明:种子光作用主要体现在SBS起振阶段,一旦进入稳态阶段,Stokes光强及应力发展的最大值、稳态值依赖于泵浦光的大小;在相同脉冲宽度下,激光波长越短,SBS发生越早,发展越快,更易造成光学元件的力学损伤;三倍频激光产生最大应力为基频光产生最大应力的100倍,且相比于倍频激光,产生最大应力的时刻要提前15 ns.

为了研究材料表面高频缺陷对损伤阈值的影响规律,针对典型表面圆锥凸起状表面缺陷建立了三维分析模型,使用有限元算法计算了两种不同波长激光辐照下,表面缺陷周围的电场变化规律.基于激光诱导材料产生损伤的场效应理论,对缺陷存在条件下材料的损伤阈值进行了定量计算.结果表明,缺陷的存在会对电场产生明显的放大效应,这将直接导致损伤阈值的下降;损伤阈值与缺陷高度成反比关系,与入射波长成正比关系;缺陷导致的损伤阈值下降幅度会随脉宽增加先减小后增大,当入射波长分别为351 nm和1064 nm时,缺陷导致的损伤阈值下降幅度分别在脉宽为1.80 ps和15.80 ps处最小.

为了实现7 nm波段Mo/B4C多层膜反射镜元件的制备,研究了不同退火方式对Mo/B4C多层膜应力和热稳定性的影响.首先,采用直流磁控溅射方法分别基于石英和硅基板制作Mo/B4C多层膜样品,设计周期为3.58 nm、周期数为60,Mo膜层厚度与周期的比值为0.4.其次,采用不同的退火方式对所制作的样品进行退火实验,最高退火温度500 ℃.最后,分别采用X射线掠入射反射、X射线散射和光学干涉仪的方法对退火前后的Mo/B4C多层膜的周期、界面粗糙度和应力进行测试.测试结果表明采用真空退火方式能够有效降低Mo/B4C多层膜的应力,且退火前后Mo/B4C多层膜的周期和界面粗糙度无明显变化,证明Mo/B4C多层膜在500 ℃以内具有很好的热稳定性.

以溶胶-凝胶法制备掺钛干凝胶,采用冰乙酸控制钛酸四丁酯水解,结合钛源与硅源独立预水解技术制备前体掺钛溶胶和凝胶.考察了溶剂量、抑制剂量和掺钛量对溶胶稳定性和均匀性的影响,以及老化、干燥条件和掺钛量对凝胶均匀性的影响,并优化了工艺参数.结果表明,冰乙酸能够有效地控制钛源水解并改善溶胶均匀性,结合钛源和硅源独立预水解技术,能够可控地制备出掺钛溶胶.在乙醇与醇盐物质的量比为5、冰乙酸与钛酸四丁酯物质的量比为6、钛硅原子数比为2%~20%的条件下可以得到均匀、稳定的溶胶.钛硅原子数比低于10%的溶胶在100 ℃老化24 h,100 ℃开放条件下干燥24 h能够形成均匀的干凝胶.钛硅原子数比高于10%的凝胶在干燥过程中析出氯化钠,得不到均匀的凝胶.

针对高温稠密激光等离子体临界密度附近电子密度的诊断需求,发展了基于软X射线激光的软X射线双频光栅干涉诊断技术.利用波长13.9 nm的类镍银软X射线激光作为探针,掠入射式的双频光栅作为分光干涉元件,对激光辐照金平面靶产生的等离子体进行诊断尝试.实验获得了清晰的干涉条纹图像,充分表明该技术的实用性.但结果中存在靶面不清晰等问题,为此,提出了初步的解决方案.

通过电火花加工技术,采用分层铣削加工方法,利用形状简单的圆柱电极,实现了Au黑腔侧表面方形诊断孔的加工.通过对分层厚度的控制,将放电区域控制在电极底部,避免了电极侧面放电对诊断孔尺寸的影响.通过扫描电镜对诊断孔形貌进行检测,采用奥林巴斯测量显微镜测量诊断孔尺寸,结果表明:孔的尺寸加工精度可控制在±5 μm,诊断孔边缘清晰,无毛刺及锯齿形状.

在惯性约束聚变实验中,用下散射法诊断燃料面密度对本底的屏蔽要求较高.分析了神光Ⅲ主机纯氘燃料靶在实际诊断环境中产生的本底辐射场,通过蒙特卡罗方法得知测量点处散射本底主要来源于初级中子与真空腔室、周围诊断平台、天花板和地板的作用.据此分析选取合适的材料和屏蔽方案.通过模拟计算,得到尺寸优化后的准直器设计方案,该方案达到了实验要求.

以聚-4-甲基-1-戊烯(PMP)为泡沫骨架材料,金颗粒为掺杂材料,均四甲苯与萘为混合溶剂体系,通过热诱导倒相技术制备出金掺杂低密度聚合物泡沫.实验结果表明:在金含量不变的情况下,掺杂泡沫的实际密度与理论密度呈线性关系;在理论密度不变的情况下,掺杂泡沫的实际密度随掺杂质量分数的增加趋近于理论值;金实际掺杂质量分数低于理论掺杂质量分数;掺杂泡沫与纯PMP泡沫具有类似的孔洞结构,随掺杂质量分数的增加泡沫的孔洞直径分布变宽且网络骨架尺寸有变大的趋势.

为了研究辐射换热对惯性约束聚变间接驱动靶系统的温度场影响,建立了带有辐射屏蔽罩的冷冻靶系统数值计算模型,利用FLUENT软件的离散坐标辐射模型分析了系统的辐射换热,并对影响辐射换热的相关结构和参数进行了模拟优化.结果表明：采用双层屏蔽罩、减小屏蔽罩的发射率、增大屏蔽罩的散射分数和金腔的吸收率、增设暴风窗,均可有效减小靶丸与外界的辐射换热,从而改善靶丸表面的温度均匀性.

为实现惯性约束聚变靶用空心玻璃微球直径、壁厚的可控,采用等离子体辉光放电聚合技术,以四甲基硅烷为掺杂气源,对化学气相沉积-氧化烧结法制备空心玻璃微球(HGM)这一制备方法进行了探索.实验结果表明:制备直径为400~600 μm、壁厚为5~15 μm的HGM,原子分数为5%是一个较合适的掺硅量,成功将微球直径和壁厚的收缩量控制在38%左右;玻璃化后样品中C含量明显降低,主要以C—Si键合形式存在,而Si含量相对增加,主要以Si—O键合形式存在;预充1.23×106 Pa氘气的微球,96 h后球内剩余气压依然高达72.95%.

冷冻靶是实现惯性约束聚变高能量增益的重要靶型.冷却臂是冷冻靶的重要部件之一,通过它将冷源与铝套筒相连接,用于获得靶丸内均匀氘氚冰层时所需的精确温度,同时冷却臂也用于均匀夹持铝套筒.首先测试分析了硅材料在深低温下的热传导系数,表明硅材料在该温区具有优异的热传导能力.研究了硅冷却臂结构参数对冷却臂温度场分布的影响.分析不同晶向硅冷却臂周向均匀夹持铝套筒的特性,提出基于(111)晶向硅片研制冷却臂.研究了冷却臂力臂夹持力和共振频率,并对硅冷却臂的热-结构耦合进行分析.最后设计具有16个夹持力臂的二级分叉结构的冷却臂.基于微电子机械系统技术研制了硅冷却臂样机,并测试了冷却臂的侧壁垂直度和力学特性.将研制的硅冷却臂与铝套筒进行装配,表明冷却臂中力臂的力学特性能够实现对套筒的夹持.

针对高平均功率固体激光器对Nd:YAG晶体板条的技术需求,进行了Nd:YAG晶体板条低透射波前误差加工技术研究.详细分析了光学加工过程中引起板条端面透射波前畸变的误差来源,并提出工艺技术解决方案.实验结果表明,在板条抛光阶段通过采用合成盘硬抛光工艺以及新的工件装夹技术,能够解决传统板条加工工艺在面形及楔角精度方面可控性差的问题,更容易实现Nd:YAG晶体板条的低透射波前误差加工.对于150 mm×30 mm×2.5 mm规格的Nd:YAG晶体板条元件,端面透射波前畸变PV值达到0.74λ.

基于飞秒条纹相机系统和飞秒电子衍射系统设计需求,通过蒙特卡罗方法模拟研究了在阴栅加速区光电子能量、角度分布和空间电荷效应对光电子时间弥散和能量弥散的影响.确定了紫外和软X射线波段入射光电阴极时,光电子六种初始能量分布的时间弥散精确值.分析了光电子发射电流密度、加速电场和时间弥散的关系.发现了电子脉冲在加速区轴向速度的线性啁啾、能量弥散变化和在自由区不相同.

为了探索短电脉冲产生高功率微波技术,采用理论和粒子模拟方法分析了短电脉冲(脉宽不大于30 ns)驱动S波段相对论扩展互作用腔振荡器(REICO)产生高功率宽谱的技术可行性,开展了原理性的实验验证.采用Marx发生器产生的前沿15 ns、后沿30 ns、电压560 kV、束流2.8 kA的类三角形电子束脉冲激励REICO,模拟产生了410 MW、脉宽8 ns、相对瞬时带宽2.7%的微波,实验输出了160 MW、脉宽10 ns、中心频率2.75 GHz、瞬时相对带宽2.8%的高功率微波.

本文以同轴馈电的矩形微带天线作为阵单元,将8个相同的单元天线等间隔分布在一个同心圆面上以组成微带阵天线,并采用等幅但相邻单元间相位差为一常数的方式进行激励.基于三维高频结构电磁模拟软件仿真优化,在中心频率为6 GHz处,根据不同的相位延迟得到不同模式的携有轨道角动量的方向图.仿真结论表明,该新颖的微带阵天线能产生携有轨道角动量的螺旋电磁波.

设计了一种高功率微波矩形波导移相器,在矩形波导中平行于电场放置金属片,沿波导宽边移动金属片,实现波导内的可变相移.通过优化设计波导和金属片的结构尺寸可实现0～360°相移,通过优化设计金属片过渡匹配结构可实现较低的插损.设计波导内为全金属结构,不存在介质材料,采用真空绝缘可以承受较高的功率传输.设计了中心频率为9.4 GHz的金属片波导移相器,移相器最大插损小于0.2 dB,功率容量设计达到64 MW.实验测试,移相器最大插损小于0.5 dB,相频曲线呈线性关系.

介绍了光子晶体模式转换器将TEM模转换为TE11模的验证实验测试结果.数值仿真得到中心频率1.31 GHz上,该模式转换器转换效率大于99%;在1.27~1.376 GHz频率上,模式转换器效率大于90%,相对带宽为8.1%.先后对其开展了微波暗室中的冷测实验以及在加速器平台上的热测实验,实验测试的辐射方向图结果与数值计算结果基本一致,输出微波模式均为典型的TE11模分布.热测实验表明所设计的模式转换器具有GW级功率容量.

针对表面基本由平面构成的散射体,在传统弹跳射线法的基础上,对射线跟踪以及射线求交测试方法进行改进,使得该方法对于分析隐身飞行器等有更好的应用.研究了单根射线与三角形的快速求交方法,同时与弹跳射线法相结合,使用三角形对目标进行两次表面拟合,分别得到用于求交测试的稀疏三角面元,以及用于射线追踪的起始三角面元,利用快速求交方法,完成射线追踪,进行物理光学积分,完成目标远场电磁散射的快速预估,将该方法的计算结果与文献结果进行对比,验证了该方法的可靠性,通过计算不同拟合面元密度下情况下的结果,验证了该算法的高效性.

实验研究了长60 m、宽20 m、高10 m的大尺寸TEM天线的传输特性,其脉冲源采用薄膜开关与天线一体化设计,输出电压幅值可达10 kV,上升沿约1.2 ns.实测了TEM天线内部的电场分布,研究了该大尺寸TEM天线中电场分布规律,给出了脉冲上升沿与传输距离的关系、脉冲幅值与传输距离的关系,总结了快沿双指数波在天线中传输的高频损耗特性,给出了实验空间的选择方法.研究结果表明:上升沿随传输距离呈线性增大趋势,两极板中间测点增大速度最快,传输50 m距离,上升沿增大约1.2 ns;电场幅值随传输距离呈指数减小趋势.

定性分析了X射线散射对面密度测量结果的影响,给出了面密度测量结果偏差的评估表达式.利用蒙特卡罗方法数值模拟了不同照相布局、不同光源能量和不同材料类型情形下X射线散射对测量结果的影响.模拟结果表明:在无防护窗情形下,被测物自身散射将导致测量结果偏小;在有防护窗情形下,前窗散射对测量结果的影响不大,后窗散射对测量结果的影响与接收介质离被测物的距离有关,具体表现为距离越小影响越大;在一定光子能量范围内,光源能量越低散射导致的测量偏差越大;被测物的原子序数和密度越大,散射导致的测量偏差越大.

对同轴法射线相衬成像进行数值模拟计算,可用于特定对象检测方法的可行性分析或检测参数优化.为此,分析了同轴法射线相衬成像系统数值模拟计算的原理及其实现方法,并针对圆形物体、长条形物体进行了相衬成像实验的数值模拟计算.对照计算结果进行分析可知:对物体平面进行离散化的尺寸很大程度上影响到数值模拟计算结果的准确程度,究其原因在于对物体平面进行离散化时决定了成像系统光学传递函数离散化的准确程度;为保证数值模拟结果的准确性,应使数值计算中光学传递函数取值点连续、不存在明显的失真;保证数值模拟结果准确所需的光学传递函数的离散化尺寸不是固定的,而是应与检测对象的大小相匹配.

针对磨削阶段大口径光学非球面元件拼接测量精度不高的问题,提出一种基于两段拼接的优化算法.首先根据多体系统运动学理论、斜率差值及逆推法建立两段面形轮廓的拼接数学模型;其次针对拼接算法中工件运动量和运动误差对拼接精度的影响,仿真分析了350 mm非球面工件的两段拼接.仿真结果表明,随着平移误差增大,拼接误差明显增大,而当控制旋转角度在8°以内、平移量在10 mm以内、旋转误差在60′以下及平移误差在3 μm以下时,拼接误差的标准偏差值在0.2 μm波动;最后利用Taylor Hobson轮廓仪和高精度辅助测量夹具对120 mm口径的非球面光学元件进行测量实验并研究工件运动量对拼接测量精度的影响.实验结果表明,当控制平移量在10 mm以内和旋转角度在8°以下时,拼接误差的标准偏差值在0.2~0.6 μm之间,能满足磨削阶段光学元件亚μm级精度的面形检测要求.

采用磁控溅射镀金银膜,长时间热处理合金化制备前驱体合金,以渐进浓度的硝酸自由腐蚀去合金化成功制备出具有自支撑结构的纳米多孔金薄膜.采用扫描电镜和X射线能谱仪对去合金腐蚀前后样品的形貌和成分进行了分析,结果表明:400 ℃,36 h的热处理使得薄膜样品完全合金化,获得了结晶致密的Au42Ag58合金膜;渐进浓度的自由腐蚀避免了薄膜的完全开裂,获得了样品尺寸大于15 mm×15 mm、厚度400~500 nm、孔隙率约56%、具有自支撑结构的纳米多孔金薄膜,其微观结构为连续的三维多孔结构,系带尺寸40~140 nm,80~100 nm的系带达58%.

为了研制具有高导通电流和高导通速率能力的单触发开关,利用微加工技术制备了基于Parylene C的三明治结构单触发开关.在主回路充电电压1.0 ~1.6 kV的范围内,分析了开关触发回路电流、电压特性,导通峰值电流、上升时间、开关延迟时间,并且对单触发开关的电感、电阻做了估算.结果表明,基于Parylene C的单触发开关性能优于基于聚酰亚胺的单触发开关;随着开关加载电压的升高,开关导通的峰值电流呈现不断增大的趋势,但是上升时间几乎不变,其延迟时间分布在1~200 μs之间,呈随机性分布,开关电阻随其作用时间增加不断增大.

研究了采用单点金刚石超精密车削加工技术(SPDT)加工多模调制曲面过程中的刀具轨迹优化方法,首先,分析了SPDT方法加工多模调制曲面的基本原理;其次,理论分析了平行弦双圆弧插补算法的基本原理,推导了插补误差计算公式.在此基础上,提出采用插补步长伸缩变化方式实现了插补误差的动态控制,并获得了完整的插补计算公式;最后,采用Matlab软件对该插补算法进行了实例仿真分析,并分别与直线插补算法和固定步长双圆弧插补算法进行了对比分析,结果表明,该方法能在保证插补允差的前提下最大程度的减少插补区间数,从而有助于提高加工效率和延长刀具寿命.该方法在调制靶金属模板的制备中获得了广泛应用.

采用流体动力学方程组和尘埃充电方程组成的自洽模型系统,对量子尘埃等离子体中的尘埃声波波动性质进行了研究.通过线性理论分析方法得到系统的尘埃声波波动方程及其色散关系,并对色散关系进行了数值分析.研究表明：充电效应定性地修正了尘埃声波的色散特性,引起尘埃声波的耗散,其耗散强度主要与尘埃等离子体的参数有关.最后,分析了引起尘埃声波耗散的物理原因.

电磁轨道发射器轨道表面裂纹引起的磁锯现象严重制约着发射器的使用寿命.为了更好地分析这种现象,建立了二维情况下的磁扩散方程和热传导方程.结合有限元软件COMSOL Multiphysics中的固体力学模块,对轨道表面裂纹处的电磁、热和力学行为进行了仿真分析.求解过程考虑了材料参数随温度的变化.结果表明,电流在裂纹处“绕行”,引起尖端局部电流密度过大是导致磁锯效应的重要原因.加载电流峰值为0.8 MA时,裂纹尖端处最大电流密度可达1010 A/m2量级.此外,对裂纹形状的分析表明,裂纹尖端张角越小,电流的聚集现象越严重,产生的温升也越大.

提出了一个弛豫磁流体力学模型,特别适合电磁驱动真空-等离子体系统的数值模拟.该模型和Seyler采用的弛豫模型有相似之处,即采用全电磁模型,不同的是采用忽略电子惯性项的广义欧姆定律直接作为本构来封闭麦克斯韦方程,减少了独立变量,是适合此类问题的最简模型.分析了磁流体力学模型电磁部分的色散关系,从而论证了其在真空区退化为电磁传播,在等离子体物质区退化为磁扩散近似,并且相速和群速是有上界的.改进了Seyler采用的时间离散方式,从而将时间精度从1阶提高到3阶,时间步长不受刚性源项约束,只受系统最大的特征速度确定的柯朗-弗里德里奇-列维(CFL)条件约束,便于显式计算和大规模并行化.

利用脉冲压缩技术,将具有一定初始电压的高阻抗长脉冲形成线对低阻抗短脉冲形成线充电到一定值时,其输出开关导通,在其后的传输线上可以产生高功率短脉冲.给出了脉冲压缩理论分析;前级脉冲驱动源采用GW级纳秒脉冲形成线,其特性阻抗为40 Ω、电长度为3.9 ns,输出脉冲宽度约8 ns;研制了与前级脉冲驱动源匹配的脉冲压缩装置和变阻抗传输线,考虑到脉冲压缩装置低阻抗形成线绝缘击穿和开关导通限制,选取脉压装置形成线特性阻抗6.5 Ω、电长度0.5 ns.利用GW级纳秒脉冲驱动源开展了脉冲压缩实验,得到了输出功率增益达4倍左右的脉宽1.5 ns高功率短脉冲,输出脉冲功率增益与理论值基本相符.

基于600 kV触发管型SF6气体开关,设计了三种具有典型电场分布的电极结构,计算分析了各个场分布特点,在-600 kV/400 ns脉冲电压下对不同电极结构进行了击穿特性实验,分析了场分布对开关击穿特性的影响.实验结果表明:三种结构中平头形电极触发击穿模式与其欠压比相关,触发抖动较小;球头形电极自击穿电压抖动最小,能够稳定工作于长时间触发击穿模式;锥头形电极击穿模式较不稳定,可能与其两个间隙击穿特性较相近有关.

基于Marx发生器原理设计了150 kV脉冲X射线测试系统,该系统采用正负极充电的双边Marx发生器线路,Marx发生器设计为15级同轴结构,采用紧凑低电感设计来获得窄脉冲的输出.实验结果表明,X光机设计合理,获得了窄脉宽、高幅度的高压脉冲输出:在充电电压为20 kV的情况下,X射线管电压150 kV;X射线脉宽约60 ns;25 cm处剂量约7.8×10-6 C/kg;焦斑直径2.5 mm.搭配计算机X射线摄影系统,成像面积可达30 cm×40 cm,分辨力大于1 lp/mm,可以满足一般低能闪光照相的需要.

离子反轰会造成直流高压电子枪内光阴极的量子效率衰减,降低阴极的工作寿命和稳定性,是限制光阴极直流高压电子枪性能的重要因素之一.基于中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光(THz-FEL)的直流高压电子枪,通过束流动力学模拟和阴极量子效率测量,研究了束流偏轴发射对离子反轰的抑制作用及其应用限制.模拟结果表明:束流偏轴发射时,离子主要轰击阴极的电中心附近,光电发射区域的离子通量较轴上发射时降低约95%;但束流发射度增大约4π mm·mrad,横向运动幅度增加约1倍.通过电子枪运行前后阴极量子效率测量,发现束流偏轴发射时离子反轰引起电中心附近量子效率大面积的衰减,而光电发射区域量子效率损失较小,验证了束流偏轴发射抑制离子反轰的可行性.

基于北京正负电子对撞机二期工程储存环,研制了一套逐束团束流测量系统.系统包括模拟前端、数据采集处理控制和显示软件三个部分.储存环束流位置探头的四路信号作为逐束团测量系统的输入,该系统宽带模拟前端完成信号幅度相位的调理,并保证束团间无干扰;四路500 MHz模数转换器对信号采样实现逐束团测量;基于现场可编程门阵列的数字信号处理逻辑计算得到每个束团的位置.系统在线实时束流位置测量分辨率优于4.5 μm,同时该测量系统可实现实时逐束团振荡幅度和工作点的测量.系统还拥有存储大容量逐束团原始数据的功能,为日常的机器研究提供了有力的测量手段.

为探索激光在束流截面测量上的应用,在北京正负电子对撞机二期工程(BEPCⅡ)的负电子传输线上建立了激光扫描系统.研究了激光扫描测量束流截面的相关计算方法.对激光和电子束相互作用、光子在介质中的切伦科夫辐射等过程进行了GEANT4模拟.对脉冲激光器进行了调试,测量了激光的脉宽、尺寸、功率等各项参数.设计并搭建了激光扫描系统的光路,编写了激光系统的机械扫描部件的控制软件.搭建了用于探测康普顿光子的契伦科夫探测器系统.激光的扫描、控制、以及激光参数的在线监测等系统工作正常,能满足激光扫描实验需要.

为了实现对中国散裂中子源(CSNS)/快循环同步加速器(RCS)射频系统中高频加速电压和束流两个同步变化的快循环扫频信号之间相位差的精确测量,需要选择合适的信号采集方案与相位差测量算法.介绍了常用的同频信号相位差测量算法,讨论了不同相位差测量算法的特点与适用性;详细描述了快速傅里叶变换(FFT)交叉谱法与加余弦窗FFT插值法两种相位差测量算法的原理.为了研究这两种算法在扫频信号测量中的适用性,利用NI的虚拟仪器技术以及Labview图形化编程技术,搭建扫频信号相位差测量系统,对这两种相位差测量算法进行仿真模拟.仿真结果表明,加余弦窗FFT插值算法可以满足快循环扫频信号相位差测量精度的要求.

微波组近年来研制了一系列S波段干负载.使用CST对S波段系列干负载进行仿真优化设计,仿真结果在中心频率2856 MHz处电压驻波比均小于1.04,满足电压驻波比小于1.1的频带宽度都大于100 MHz.以上所有干负载的实际加工产品低功率测试电压驻波比均小于1.05,其中14介质柱高功率干负载已由韩国完成了高功率测试,测试时在重复频率60 Hz,脉冲宽度1 μs,速调管输出50.7 MW的情况下,干负载电压驻波比为1.09且工作状态稳定.其他各型干负载也都已安装于国内外加速器上,经过了长时间的稳定运行,性能可靠.

中子在探测器中能产生与暗物质粒子(WIMPs)类似的核反冲信号,对于低背景的暗物质直接探测实验,精确测量和排除中子的干扰尤其重要.为测量中国锦屏地下实验室(CJPL)中子本底的通量,研制了高效的、具有很强“中子-伽马”分辨的掺钆液闪快中子探测器.介绍了掺钆液闪中子探测器的研制和性能,包括探测器形状和尺寸的设计,液体闪烁体类型、光电倍增管型号以及液闪容器材料的选择,探测器的伽马能量刻度以及中子与伽马信号的甄别.用Am-Be中子源对探测器进行探测效率刻度,得到阈值为0.2 MeV等效电子能量的中子探测效率为(6.30±0.30)%,满足中国锦屏地下实验室对中子通量测量的要求.

为了实现中子波段调节斩盘相位的高速、高精度控制,分析了系统的负载特性并建立了由斩盘实体和驱动电机构成的二质量系统模型.设计了电流、速度和位置串级控制器,根据控制系统的工程设计方法和现代控制理论给出了3个调节器结构选择及参数整定的具体方法.结果表明:在中子斩盘以旋转频率27.5 Hz工作时,其相位控制扰动误差为-1.325 25～1.325 25 μs,稳态误差为 -2.583 μs,符合中子斩波器应用要求.

针对不锈钢焊接接头应力及组织分布不均匀,容易导致应力腐蚀开裂的问题,采用不等强度激光冲击波对316奥氏体不锈钢焊接接头进行处理.通过应力腐蚀试验、残余应力测试及微观组织分析,研究了激光冲击强化对焊接接头应力腐蚀抗性的影响及其作用机理.试验结果表明:激光冲击强化将焊接件的应力腐蚀断裂时间提高了33.48%.激光冲击波的作用,在焊接接头部位引入了高数值的残余压应力,一方面消除了热影响导致的残余拉应力,同时抵消了拉伸工作载荷的作用,降低局部应力梯度,从而延缓表面钝化膜的破裂;另一方面,激光冲击使焊接接头不同区域之间的微观组织均匀和细化,提高了微裂纹萌生的条件,降低了金属发生阳极溶解的可能性.两种因素的共同作用,使得不锈钢焊接接头的抗应力腐蚀性能显著增强.