“贝加尔”(Baikal)装置是当今世界上在建的最大的脉冲功率驱动热核聚变和高能量密度研究装置, 从最初建造“贝加尔”装置概念的提出, 其技术路线和主要参数经历了一系列的发展和演变过程。综合介绍了“贝加尔”装置概念设计提出的历史背景、发展演变过程和目前的研究进展, 描述了“贝加尔”装置的主体性能和技术路线, 着重分析了装置主要部件的结构和性能参数。

基于试验设计软件Design Expert V8设计试验, 开展激光焊接5A90铝锂合金工艺试验, 研究侧吹保护气流参数对焊缝气孔的影响规律, 拟合侧吹流量、侧吹角度和等效气孔点数的函数图像, 建立数学模型, 优化保护气流参数, 预测Ⅰ级焊缝保护气流参数范围。实验结果表明: 侧吹气流的加入能明显抑制焊缝气孔, 侧吹流量是显著因子, 对气孔影响较大, 随着流量的增加, 气孔点数先增后减, 在侧吹流量为5~7 L/min时有最小气孔点数; 侧吹角度和交互项是不显著因子, 在侧吹角度为20°~30°范围内, 有一个较优值。气孔点数的最优响应模型为三阶模型, 该模型拟合良好, 经验证试验检验, 模型误差范围小于10%, Ⅰ级焊缝易在侧吹流量为3~9 L/min, 侧吹角度为15°~52°范围内获得。

依据高斯波束体目标散射特征, 研究了粗糙体目标高斯波束散射场量的互相关函数统计特征。在激光波束入射下, 通过数值方法讨论圆球类目标、不同半径、不同材料、不同入射波束极化等条件下, 散射场量的互相关函数随散射角变化情况。数值计算结果表明: 金属薄膜材料比非金属镀漆材料互相关函数量值要大, 金属材料球体目标的后向散射互相关函数值较大, 而非金属镀漆材料球体互相关函数值较小。材料表面的粗糙度和目标尺寸对互相关函数影响较大, 而入射光的极化方式对相关函数有影响但影响较小。

在一定条件SF6气体氛围中, 硅可在飞秒激光辐照区产生μm量级的尖峰结构。针对不同尖峰高度的微构造硅, 在不同温度下退火, 采用电子蒸发的方法在正反面分别镀上铝电极, 制备出了飞秒激光微构造光电二极管, 并测试了其光电响应。实验结果表明: 飞秒激光微构造光电二极管的响应随微构造硅光电二极管的尖峰高度和退火温度的不同而不同。尖峰高度为3～4 μm的样品在973 K温度退火30 min后, 响应度可达0.55 A/W。即使在1100 nm波长处, 这种新型的硅光电二极管的响应仍可高达0.4 A/W。

通过采用北京同步辐射源标定了无镀膜闪烁体EJ232的能量响应曲线。该批次无镀膜闪烁体对于能量低于300 eV的X射线的线性响应差。根据实验结果, 进行了镀膜模拟设计, 并通过真空磁控溅射法进行了闪烁体镀膜加工工艺。设计加工后的镀膜闪烁体经过实验标定后, 其结果指标满足设计要求。该镀膜闪烁体对于能量低于1 keV的X射线的平响应特性好, 线性度高于99%。该闪烁体对普朗克谱的模拟输出结果表明, 其输出谱与输入谱之间形变小, 因此该镀膜闪烁体在Z-pinch实验中能有较好的适用性。

为了提高Z箍缩动态黑腔中低密度泡沫柱的装配精度, 基于辅助移动平台和视觉识别工艺的基础上, 对低密度泡沫柱装配的误差源进行了分析与建模。建立设计、加工和装配误差源传递模型和低密度泡沫柱装配同轴度及轴向夹角精度预测模型, 获得各误差源对低密度泡沫柱装配精度的影响大小和规律。最后采用某负载进行了模型的有效性验证, 当泡沫柱粘接随机位置误差较小时, 同轴误差预测值与实测值偏差为001~0.03 mm, 轴向夹角预测值与实测值偏差为0.05°~0.34°。实践表明, 该方法可为低密度泡沫柱装配精度的预测和误差源控制提供一定的理论支撑。

研究了激光辐射压驱动的两级质子加速的相关问题。当超短超强激光脉冲与处在背景等离子体前方的薄固体平靶相互作用时, 在固体靶后部形成一个电子层-离子层组成的双层结构。在激光的不断推进下, 双层结构在背景等离子体里以一定速度传播, 可以看成运动在背景等离子体中的电场。这样, 在背景等离子体中的质子被这个运动电场捕获并能加速到很高的能量。通过二维PIC模拟方法和理论分析研究了质子加速的相关问题。研究结果表明, 被加速质子的最大能量达到20 GeV。

为深入研究黑腔内激光成丝不稳定性产生和发展, 建立了空间束匀滑光束的传播模型, 利用三维激光等离子体相互作用程序LAP3D模拟了黑腔物理条件下的大尺度成丝现象。模拟结果可正确描述成丝后光强的束发散现象及谱空间光强分布特征。从激光能量参数角度分析了导致成丝不稳定性发展的物理因素, 并讨论了应用空间束匀滑技术抑制成丝不稳定性的局限性。研究表明: 空间束匀滑光束发展成丝的能力取决于光斑内小焦斑的成丝表现, 当具备成丝能力的小焦斑份额达到一定比例后, 就会导致整个空间束匀滑光束成丝, 因此对于光斑平均功率密度较高的光束, 须考虑结合其他束匀滑手段来抑制成丝发展。

提出了一种对内爆靶丸X射线轫致谱重建的方法。该方法的目的是通过重建内爆靶丸的轫致辐射谱, 得到内爆靶丸有价值的信息。这种方法将轫致谱能段分为五个部分, 假设每个部分的平均能量强度相等, 用一种包含了五个不同滤片组的多能段针孔相机对同一个内爆靶丸进行成像, 并且用IP板进行接收。五组不同的像可以给出五个不同的线形方程组, 这样就可以还原出轫致辐射谱。使用该方法还原了在神光Ⅲ原型装置上内爆靶丸的轫致辐射谱, 并据此给出了内爆热斑的温度, 所得的结果与用示踪元素特征谱线给出的温度符合得较好, 证实该方法和结果是可靠的。

设计了一种带有金属脊和氟化镁夹层的紫外混合表面等离子体纳米激光器。在COMSOL Multiphysics软件的基础上, 使用有限元法分析了所设计激光器结构的电场分布、模式特性、品质因数和增益阈值。结果表明: 在工作波长为390 nm的紫外波段, 通过最优参数设计, 其光场约束可达到较好的深亚波长水平, 同时保持高的品质因数、低的损耗和阈值。与平坦金属层结构相比, 在相同的参数下, 所设计的结构具有更强的光场限制能力和更强的微腔束缚能力, 有潜力使纳米设备趋于小型化和集成化。

使用一维辐射流体力学程序MULTI模拟了脉冲CO2激光烧蚀平面锡靶的过程, 研究了脉冲宽度、峰值功率密度、靶材初始密度对锡等离子体电子密度、电子温度的时空分布的影响, 并结合统计分析得到最有利于产生13.5 nm 极紫外光的激光脉冲宽度。模拟结果表明, 脉冲宽度为100~200 ns的长脉冲激光产生的等离子体有利于实现极紫外输出的最佳条件, 通过分析等离子体的电子密度、电子温度的分布对这一结论进行了解释。临界电子密度区域有效吸收了脉冲能量, 而低密度的羽辉对激光与极紫外辐射的吸收很少。采用长脉冲激光, 使得辐射极紫外等离子体持续时间更长, 是提高极紫外辐射效率的有效手段。同时模拟还发现, 靶材初始密度对等离子体参数的影响不大。

为解决高功率微波源传输线内能量的测量, 研制了一种全吸收式液体高功率微波能量计。能量计采用乙醇、去离子水等混合液作为吸收液, 吸收液吸收微波后体积膨胀, 探测器内的液面升高, 通过控制系统得到液面升高引起的电压变化值, 从而得到被测能量的大小。该套能量计具有结构简单、测量准确度高等特点, 经过实验, 测得能量计端口的电压反射系数小于-20 dB, 具有较好的匹配性, 能够开展10~600 J能量的测量, 5次测量结果标准偏差优于3%, 可满足高功率微波源传输线内或空间辐射能量的测量。

针对当前高功率微波(HPM)中的热点器件磁绝缘线振荡器(MILO) 频率低、效率低等问题, 提出了一种可以沿x方向平面展开的平面MILO。该器件也是一种低阻抗高功率微波器件, 通过一个低外加磁场来代替常规MILO中的磁绝缘电流, 辅助实现器件的磁绝缘, 从而实现器件效率的提高。结合PIC模拟, 建立一个外加低磁场的C波段平面MILO, 并根据其慢波结构(平面折绉表面)特点给出相应的色散曲线, 确定微波器件工作点, 利用2.5维全电磁粒子模拟软件对其进行数值模拟, 在输入为4.0 GW电功率(工作电压约800 kV)的条件下, 模拟得到频率为6.56 GHz的微波输出, 通过优化外加磁场, 使得模拟微波输出功率达到1.22 GW, 功率效率在C波段条件下超过30%。

设计了一种基于宽边纵缝驻波阵的高功率射频微波辐射系统, 系统由四路矩形波导以及聚四氟乙烯天线窗组成。天线内采用真空绝缘实现天线高功率容量, 天线窗真空侧采用周期刻三角槽技术抑制高功率微波介质表面击穿。在波导缝隙阵与天线窗之间设计支撑板, 除支撑天线窗外还可抑制表面波电流。采用HFSS数值模拟软件对辐射系统进行了优化设计。数值模拟结果表明, 设计的辐射系统在频率为1.575 GHz时, 增益为22.7 dBi, 天线口径效率为98.3%, 反射系数为-25 dB, 带宽达到5%, 带宽内天线增益波动小于等于0.4 dB、天线口径效率大于等于98%、主瓣指向偏差小于等于1.2°。系统功率容量达到1.92 GW。

采用天线组阵辐射的方式实现空间功率合成, 是获取高功率微波的有效途径。利用奇异值分解空频矩阵获取时间反演后向传输信号, 天线阵列再次发射这些信号, 能完成目标探测, 同时在目标位置处实现空间功率合成。基于相同的峰值发射功率, 频率提高后的空频时间反演方法合成功率达到了理想合成功率的87.39%; 而TD-DORT方法仅为理想合成功率的19.55%。频率提高后的空频时间反演方法具有功率合成方面的高效性, 探测目标的同时在目标位置处合成高功率微波, 为空间功率合成提供了一种新的方法与途径。

对电缆X射线辐照非线性响应进行了数值模拟。分析了电缆X射线辐照的物理过程, 针对同轴电缆和屏蔽多导体电缆, 建立了基于有限元方法的二维电缆模型诺顿等效电流源计算方法, 着重描述了二维模型下电缆介质辐射感应电导率效应求解方法, 模拟了电缆X射线辐照非线性效应, 给出了诺顿等效电流源非线性响应规律, 并依据物理过程进行了合理性分析。模拟结果显示, 由于辐射感应电导率的存在, 随着X射线注量的增加, 电缆响应幅度会存在明显的饱和现象。对特定类型的电缆, 响应电流随着X射线注量增加, 依次出现3个时间位置不同的电流峰值。

分别给出了归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程, 并提出了完整的数值计算方法。对于束压束流分别为511 kV, 5 kA和800 kV, 8 kA两组典型参数, 采用非线性理论和二维粒子模拟程序分别计算了电流调制系数和距离的关系。在线性增长区以及当调制电流达到最大值并开始缓慢下降后, 理论与模拟都符合得很好。此外还计算了电子束动能和调制电流的n次谐波的模式强度随归一化距离的变化情况: 一次和二次谐波强度较大, 八次以上谐波幅度较小而可以忽略。

针对高功率微波(HPM)脉冲测试用峰值检波器标定不确定度评估中测量函数非显式, 直接测量量与被测量间概率分布传递困难等问题, 研究建立了蒙特卡罗分析方法(MCM), 利用有限带宽S参数网络时域响应计算原理建立了检波器标定系统的时域仿真模型, 模型包含标定系统各微波器件S参数、检波电压、监测峰值功率等直接测量量, 以及微波脉冲反射、叠加及传输延迟等物理过程。根据MCM原理对模型中各直接测量量引入特定分布的随机误差, 通过重复计算, 获得了检波器标定曲线的不确定度及其概率分布。

阵列设计作为多输入多输出(MIMO)雷达成像系统中的一项关键技术直接影响系统成像性能。通过分析MIMO雷达成像模型, 探讨了基于等效阵列概念的MIMO阵列设计方法, 并讨论了近场效应对成像结果的影响。基于所构建的MIMO雷达成像实验系统, 进行了近场微小金属目标二维成像试验。实验结果表明: 该阵列设计方法在120~150 GHz的适用性, 验证了毫米波MIMO雷达近场成像能力。

提出利用等效电路法解决电磁脉冲注入下有损非均匀传输线及其网络端接非线性负载的时域响应问题。采用分段逼近级联方法建立了有损非均匀传输线的等效电路模型。利用设计的快沿电磁脉冲源对有损非均匀微带线端接电阻、瞬态抑制二极管的响应进行了试验和仿真对比分析, 验证了该等效电路模型的正确性和解决非线性负载响应问题上的有效性。通过与FDTD法对更复杂的有损非均匀传输线、不等长有损非均匀传输线、有损非均匀传输线网络的仿真结果和计算机运行时间进行对比分析, 进一步验证了该等效电路法的正确性以及在解决有损非均匀传输线问题上的普遍适用性和高效性。

基于半导体器件的物理模型, 联立并求解由电磁场、半导体物理及热力学方程构成的多物理场方程组, 实现半导体器件及电路的电磁效应计算。为了更加准确地仿真半导体器件的温度变化, 深入研究了多物理场计算中的热边界条件。以肖特基二极管HSMS-282c为例, 采用多物理场算法仿真并对比了器件在相同激励(幅值为2 V的阶跃脉冲)、不同边界条件下的温度变化情况。实际测量了器件在正向偏置下的表面温度, 并于多物理场计算结果进行对比。结果表明, 采用热对流边界可以准确仿真半导体器件的热效应。

舱体屏蔽效能的试验评价是验证车载复杂系统抗电磁脉冲加固性能的重要环节。为了定量估计试验设计和结果评定所引入的不确定度, 以高空电磁脉冲为背景, 分别从频域/时域测试方法选择、测试频点设置、合格曲线设计和超差点的处理等几个要素, 研究了舱体电磁脉冲屏蔽效能的验证评价方法。针对车载复杂系统典型舱体屏蔽效能较低的特点, 针对不同屏蔽效能提出了一簇合格曲线,并基于二阶谐振系统模型, 定量估计了频点设置准则、合格曲线、超差点处理准则所引入的不确定度,为舱体屏蔽效能的试验设计与数据分析提供了方法与支撑, 同时定量分析也可作为不确定度估计的基础。

锥束CT圆轨迹反投影滤波(BPF)算法能够有效处理数据截断问题, 在感兴趣区域成像研究中具有重要的地位。但是当锥角增大时, 重建图像的顶端和底端会出现严重的伪影, 从而影响图像质量。为解决该问题, 从扇束圆轨迹BPF算法出发, 重新推导了锥束圆轨迹BPF算法, 通过对锥束伪影成因分析, 提出了一种基于锥角大小和轴向距离大小的权重函数, 修正了重建过程中差分反投影图像求解部分, 达到抑制伪影的目的。实验结果表明, 改进的大锥角锥束CT圆轨迹BPF算法能够在锥角增大时有效地抑制锥角效应, 提高重建图像质量。

针对目前微机电系统密码锁中的鉴别器结构复杂、智能电子密码锁可靠性不高的问题, 设计了一种N bit的原位溅射型单次试开密码鉴别电路。N bit的密码鉴别电路, 由2N(N级、每级2个)个原位溅射型OFF-ON开关按照每级“二选一”的逻辑、N级级联的形式构成; 将原位溅射型OFF-ON开关(OFF态到ON态的单向切换具有不可逆特性)与具有熔断特性的保险丝按照装定密码对应的电路关系进行连接, 构成了原位溅射型单次试开固态密码锁, 可将此密码锁用于对安全性要求高的要害系统、设施中。为了获得原位溅射型OFF-ON开关中金属爆炸箔与叉指电极之间的间隙, 给出了三种固态密码鉴别电路的微加工工艺方案。

为建立有效的晶闸管模型来仿真晶闸管关断时过电压, 减小晶闸管过压损坏的概率, 以最大通流150 kA、耐压5.2 kV的脉冲晶闸管为研究对象, 将其前置于脉冲形成单元回路中作为大功率开关使用, 记录放电过程中晶闸管两端电压及电流。实验数据表明: 恢复过程中的电流下降率、反向恢复电荷、反向恢复电流峰值随通态电流峰值的增大而增大, 晶闸管关断时间随通态电流峰值的增大而减小。此外, 在关断过程中, 当电流下降率在-50~1000 A/μs时, 电流下降率与电流峰值为线性关系。因此, 在大脉冲电流条件下, 推导反向恢复过程参数与通态电流参数的关系时电流下降率可用与电流峰值的线性关系代替。基于Matlab仿真平台, 建立了具有反向恢复过程的脉冲晶闸管模型。该模型仿真得到的晶闸管反向恢复电流峰值与实测结果较为吻合, 反向恢复电压尚待进一步修正。

为了满足在高电压状态下对氧化锌陶瓷(ZnO)元件的检测需要, 研制了一种基于脉冲变压器和脉冲形成网络(PFN)的, 输出电压范围10～80 kV可调, 波形为近方波的高压脉冲源。根据实际研制过程, 分别介绍了高压脉冲源的设计、仿真及系统电路构建。测试了高压脉冲源在标准负载(匹配)和氧化锌陶瓷负载上的输出情况。结果显示: 脉冲顶降小于3%, 顶部波动小于1.5%, 前后沿指标均满足要求。因而, 高压脉冲源可以用于氧化锌陶瓷的性能检测。

设计了基于弧形Blumlein 脉冲成形网络(Blumlein PFN)的LTD型重复频率长脉冲功率模块。该模块将四路阻抗均为24 Ω的弧形Blumlein PFN对称分布在LTD外筒圆周上, 连接于LTD的初级绕组上, 并采用两个激光触发放电开关同步驱动, 整个脉冲功率模块结构紧凑, 缩短了高压馈线和开关引线长度, 有利于形成良好脉冲波形。在此基础上研制了两模块重复频率长脉冲功率源, 实验结果表明, 研制的长脉冲功率源在5 Hz重频运行时假负载上输出脉冲幅值约为260 kV, 脉冲功率达到5.2 GW, 脉冲宽度约170 ns。

基于自由电子激光(FEL)的太赫兹源具有高功率、高效率、波谱范围宽且连续可调、波束质量好等显著优点, 目前是获得最高输出功率的方法。紧凑型太赫兹源使整体装置小型化, 减少了装置成本和占用空间, 但依然可以提供高功率、高品质的太赫兹波束, 是一种便利可靠的用户装置。由于空间限制, FEL上的磁铁要尽可能地减小其尺寸, 并仍能满足束流参数设计要求。本文设计的四极磁铁磁轭孔径与有效长度, 其中2块是64 mm×100 mm, 另外3块是45 mm×100 mm。这些四极磁铁的磁场梯度可以达到0.6~1.9 T·m-1。采用Poisson和Oprra-3D软件进行四极磁铁的二维和三维仿真计算, 设计优化四极磁铁的结构, 并测量了加工完成后的四极磁铁的磁场。

针对强电场中电场渗透的问题, 采用特殊的法拉第筒法测量脉冲束流强度: 在法拉第筒入口处用栅网屏蔽强电场, 并用在收集板上加正压的方式抑制二次电子。采用解析计算和数值模拟方式对栅网的形状进行了选择, 在同样的栅网丝宽和透过率的前提下, 通过正六边形栅网的渗透电场最弱, 因此选择正六边形栅网。将设计的法拉第筒用于一台真空弧离子源的束流强度测量, 获得了该离子源的束流强度波形, 其峰值流强约为550 mA; 利用测量结果计算了混合离子束在Cu收集板上的二次电子发射系数, 约为2.0。

介绍了在合肥光源重大维修改造工程期间, 开发的一套基于扫频激励法的工作点测量系统。测量系统硬件包括基于条带BPM的信号拾取电极、前端信号调理模块、一台带跟踪输出的信号分析仪N9000AEP、功率放大器以及用于激励束流的条带激励器。系统控制软件采用EPICS开发, 基于EPICS Stream Device设计的输入输出控制器(soft IOC)运行在服务器虚拟机中, 通过VXI11协议进行通信实现对信号分析仪的控制和数据获取; 用户操作界面采用EPICS平台下的EDM开发, 通过Channel Access与IOC通信。在HLS-II储存环上对工作点测量系统进行了在线的调试。调试结果说明, 在扫频范围为2.1 MHz到4.1 MHz时, 工作点测量系统的统计分辨率在水平方向上好于0.000 3, 在垂直方向上好于0.000 2。

研究了微光夜视系统输出图像中光晕尺寸和灰度分布与系统参数之间的关系, 建立了系统光晕效应的定量化表征模型。首先分析了系统输出图像中光晕的产生机理; 其次依据微光夜视系统成像原理, 通过分析光电阴极产生的光电子数及初角度分布、光电子在光电阴极与微通道板之间的运动、光电子与微通道板非开口壁碰撞后的运动规律及微光成像系统各环节对能量的逐级传递, 研究了光晕的定量化表征方法; 结合上述理论研究, 建立了光晕的数字仿真模型。结果表明: 所提出的光晕效应表征模型能够与实验结果中光晕的灰度分布及尺寸较好地吻合; 随着强光源能量增大, 系统光晕效应越明显, 光晕效应对系统成像质量影响越大。