随着大能量/高功率激光器的发展需求日益突出, 光学薄膜的激光损伤阈值逐步成为激光器发展的瓶颈, 受到国内外高能激光器研究领域的广泛关注。阐述了光学薄膜激光的损伤机理、激光损伤阈值测试平台及方法, 结合自身研究成果, 综述性分析了国内外光学薄膜抗激光损伤技术与手段研究的发展情况, 主要包括离子束预处理、离子束与退火后处理、虚设保护层等; 重点提出了磁过滤结合激光沉积的复合沉积技术, 并建议加速推动无缺陷沉积的原子层沉积技术, 为大幅提高光学薄膜抗激光损伤能力、满足当前需求提供了理论基础。

介绍了一种纳秒级脉冲激光光斑能量分布测量电路的设计方法, 采用自动跟踪积分方式, 根据预测先将脉冲光电流积分并保存, 然后用速度较低的A/D芯片进行A/D转换, 该方法避免了采用高速A/D芯片, 且可以获得较高的采样分辨率, 特别是在需要采集的通道数较多时具有明显优势。

地表热通量和水汽通量对全球气候变化和大气环流有着重要而广泛的影响, 而Monin-Obukhov(M-O)相似性函数在计算近地层热通量和水汽通量的过程中扮演着重要的角色; 同时M-O相似性函数是大气光学湍流估算模式中不可或缺的因子。通过对合肥西郊35 m铁塔上气象数据的分析, 利用非线性最小二乘法拟合得到了一套全新的M-O相似性函数。将之与前人提出的相似性函数作对比, 展现出了较好的一致性。同时, 该函数大气光学湍流的估算模式中, 估算值与实测值具有较好的吻合度。分析结果表明: 在稳定条件和非常不稳定条件下, 可以认为温度相似性函数等于湿度相似性函数, 在弱不稳定条件下两者不再满足这种相似性。

氧碘化学激光器运行过程中会将氯气、碘蒸气等有毒有害物质排入大气, 对工作场所空气质量和人员健康存在安全隐患。采用点源扩散的高斯模式, 建立了小风条件下氧碘化学激光器废气的扩散模型, 结合工作场地人员分布情况, 计算得到激光器废气排放后15 min内, 距地面1.5 m高度、距排放点500 m范围内废气中有毒成分氯气和碘的质量浓度空间分布。根据质量浓度空间分布情况, 选取采样点, 以Na2SO3溶液作为吸收液对氯气和碘进行了同时采样, 并采取离子色谱测量了吸收液中氯离子和碘离子的质量浓度。结果表明: 氧碘化学激光器废气排入大气后, 氯气质量浓度最高为0.200 mg/m3, 碘蒸气质量浓度小于检测方法的检出限0.030 mg/m3, 低于国家职业卫生标准规定的最高容许质量浓度限值1 mg/m3。

实现了对射流式氧发生器的三维仿真模拟, 给出了氧发生器内部流场结构、各组分的分布状态等信息。研究了射流孔结构对氧发生器性能的影响。指出即便是具有相同比表面积的不同射流孔排布方式, 也会对发生器性能产生影响。此外, 逆向射流式氧发生器反应器中气体从双侧进入对于减小发生器对气体的阻力具有重要作用。

提出利用光束整形技术提高激光照明均匀性、调节照明远场光斑尺寸的方法, 用Easylaser激光仿真软件分析光束截断比对照明均匀性的影响, 分析大气湍流条件下光束整形对照明均匀性的影响, 并比较调节光束质量与光束整形对照明均匀性的影响。结果表明: 光束整形具有调节照明激光远场光斑尺度及均匀性的能力, 相位调节因子越大, 整形后远场光斑半径越大、均匀性越好; 光束截断比越大照明均匀性越好; 弱湍流条件下, 光束整形比调节光束质量的照明激光远场光斑均匀性更好。

为了提高射流抛光的加工效率, 设计了一种矩形喷嘴结构, 基于并行去除方式来提高工件的去除效率。根据流体力学基本理论, 分析了矩形喷嘴冲击射流流场的结构特性, 并对其流场分布进行了定量计算。基于射流去除理论, 建立了矩形喷嘴的材料去除理论模型, 并对去除量分布进行了计算与比较。详细分析了矩形喷嘴结构参数与去除量之间的关系, 在此基础上对矩形喷嘴进行了优化, 结果表明, 矩形喷嘴长宽比控制在10左右能够得到很好的去除效果。

Ni80Cr20超细丝经冷加工后呈规则的三维螺旋卷曲状态。实验研究了拉拔角度、变形量、拉拔速度和模具定径区长度对超细丝材曲率的影响, 制定了NiCr合金丝单模冷拉拔工艺。结果表明: 随拉拔角度的增加, 丝材曲率逐渐增加; 变形量增加, 拉拔角度为17°时, 丝材曲率没有明显规律, 基本在0.56 mm-1左右, 但拉拔角度为0°时, 丝材曲率逐渐增加; 拉拔速度小于10 m·min-1时, 曲率逐渐增加, 大于10 m·min-1时, 曲率增加趋势变缓, 大于30 m·min-1曲率又有所下降; 定径区长度越长丝材曲率越小。分析认为, NiCr丝材表面产生的附加切变形及切变层的流动速度的不一致性是丝材产生卷曲的原因, 且曲率越大残余应力越大。为减小不均匀变形, 冷拉拔工艺采用0°拉拔、拉拔速度10 m·min-1、模具定径区长度为模具定径区直径的60%。

利用马赫曾德尔干涉测量系统采集到等离子体的激光干涉图像。为了提高数据处理的精度, 应用了改进的数字式二次曝光傅里叶法从干涉图中获取了初始的缠绕相位, 并采用改进的基于掩膜与枝切法的相位解缠算法对缠绕相位进行相位解缠。在对解缠相位做Abel逆变换后, 得到了不同延时时刻下激光诱导环氧玻璃钢等离子体电子密度的空间分布。结果显示: 测量得到的电子密度主要为1018 cm-3数量级。实验表明, 在记录的时间范围内激光等离子体的电子总数变化不大, 且电子密度的变化与等离子体体积的变化大致成反比。

通过建立物理模型, 用一维三温拉氏磁流体力学程序分析了由强电流(MA)脉冲驱动的金属套筒内爆压缩磁化等离子体的升温点火及能量增益过程。分析了脉冲驱动的金属套筒内爆、不同驱动源对金属套筒内爆升温的影响、Z箍缩过程中内嵌磁场和预加热温度对磁化等离子体升温的影响, 以及点火需要的初态参数和点火后的能量输出。此外, 对该过程中磁场增加α粒子能量沉积、降低电子离子热传导能量损失的物理机制做了介绍和分析。磁流体数值模拟结果显示: 当初始的内嵌磁场和燃料的预加热温度分别取5 T和250 eV时, 即可获得超过4 keV的升温, 初始参数包括内嵌磁场、预加热温度、燃料密度、套筒尺度、驱动脉冲幅值、加载时间等。在一定的条件下, 点火成功, 可产生kT量级的强磁场, 并获得百kJ/mm量级的能量输出。

基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的实际结构, 建立了开关电源IGBT模块有限元等效热分析模型和双热阻模型。在开关电源实际工作情况下进行温度测量实验, 结合实际运行时的电压电流曲线, 给出模块的总损耗。仿真拟合出热特性主要参数瞬态热阻, 与厂商数据手册提供的实测热阻曲线进行对比, 两者曲线基本一致, 验证了有限元热分析等效模型合理。分别将有限元等效模型与双热阻模型进行稳态热仿真, 与实验对比分析, 得到实际工况下IGBT模块温度场分布及芯片结温。分析双热阻模型的优缺点, 并提出了改进方案。

针对基于空间功率合成的空馈平面反射阵(FLAPS)型高功率微波辐射器的高效率电磁仿真需求, 应用积分方程方法结合多尺度混合电磁建模技术MLFMA-MLACE进行问题的电磁建模及求解, 主要过程包括: 针对设计模型进行多尺度几何建模; 在宏观层面采用多层快速多极子加速矩矢相乘; 在微观层面采用多层笛卡尔展开加速求解。结合W波段的FLAPS初步模型, 利用传统多层快速多极子技术(MLFMA)进行了精度验证, 对于混合方法在仿真中的适用性、模型等效处理程度的影响以及计算成本等进行了分析。结果表明, 该方法在内存及计算时间方面显著地提高了效率, 论文还对后续改进方向进行了讨论。

利用红外测温仪、光学测温仪、热电偶测温仪(铂铑-铂)对微波电真空器件用浸渍阴极表面、覆膜阴极表面、阴极侧面(钼筒)进行了温度对比测试研究。结果表明: 采用红外测温仪和光学测温仪测试浸渍阴极表面的温度与采用热电偶测温仪测试的温度相差不大, 而覆膜阴极却相差约50 ℃; 采用红外测温仪和光学测温仪测试阴极侧面(钼筒)的温度相差不大, 都低于热电偶测温仪测试的温度约60 ℃, 这说明红外和光学测试温度值低于阴极的实际温度(热电偶测量值)。由于在阴极表面出现了物理、化学变化, 红外测温仪和光学测温仪测试的阴极表面温度值在1150 ℃左右加热100 min内增加约30 ℃。分析认为这些差异主要是因为覆膜阴极的表面与浸渍阴极的表面及阴极侧面(钼筒)的发射系数不同造成的, 当然测试结果也会随着这些因素的变化而有一定的变化。

为提高高功率微波(HPM)辐射天线的功率容量, 设计了带均压环的HPM微波辐射天线窗。均压环嵌入介质窗表面后介质窗表面电场分布发生改变, 电子运动轨迹也随之发生改变, 改变电子运动轨迹能有效抑制二次电子倍增造成的介质窗击穿。当均压环与辐射场电场垂直时, CST模拟表明, 均压环的加入基本不影响天线的辐射性能。将其应用于返波管振荡器(BWO)实验中(输出微波为TM01模), 结果表明: 在束压3 MV、束流10 kA、效率30%时, 普通天线窗输出脉宽为45 ns, 而加入均压环的天线窗输出脉宽100 ns。

详细研究了Denisov型准光模式变换器的原理和设计方法。应用几何光学理论对Denisov型开口辐射器的工作过程进行了分析, 并给出了基于耦合模理论的辐射器不规则扰动段的设计方法。开发了基于耦合模理论、矢量衍射积分和物理光学法的仿真程序GQOMC-D, 并将该程序的计算结果与文献报道结果进行了对比验证。利用该程序设计了一种110 GHz TE22, 6模回旋振荡管准光模式变换器, 仿真结果显示在输出窗上得到了场型较好的高斯波束, 其模式纯度为98.4%, 模式变换器的能量转换效率为94.7%。

建立了电磁波穿过磁化等离子体鞘套的一维模型, 并采用数值分析方法对太赫兹(THz)电磁波在磁化等离子体鞘套中传播时的反射率、透射率和衰减值进行了计算仿真, 分析了磁化条件下磁场强度、太赫兹波频率、等离子体鞘套厚度、等离子体碰撞频率和等离子体密度对太赫兹波在磁化等离子体鞘套中传播特性的影响。仿真结果表明: 排除衰减波峰对应的频率范围, 外加磁场有效降低了太赫兹波传输的衰减, 在固定磁场强度下, 衰减波峰两侧的衰减值均达到了5 dB以下, 有效地解决了通信“黑障”问题。

提出了一种基于流注-先导放电理论的数值模拟方法来快速判断直升机初始雷击附着点。首先, 根据标准SAE-ARP 5416A中规定的相关试验方法, 确定平板电极大小、直升机离边界距离等参数。然后, 利用Becerra-Cooray正极性先导起始和发展判据对UH-60“黑鹰”直升机的主旋翼翼尖、尾旋翼翼尖、水平尾翼以及机头部位进行分析比较。最后, 通过不断改变平板电极电势的方法, 找到各个关键位置产生稳定正极性先导所需的最小背景电场值, 以此为依据来对其初始雷击附着位置进行分析。结果表明, 主旋翼翼尖最易成为初始雷击附着位置, 而机头则较难成为初始雷击附着位置。

射频涡旋电磁波等相位面呈涡旋状, 是一种携有新自由度-轨道角动量的电磁波。在轨道角动量模式理论分析的基础上, 提出了在中心频率6 GHz处产生携有轨道角动量的涡旋电磁波的一种圆微带天线阵新结构, 设计了以双层圆形微带天线为阵元组成的圆形阵列天线, 通过控制馈源的相位差, 得到模式量子数为0, 1, 2, 3, 4的轨道角动量。仿真结果表明: 携轨道角动量的电磁波矢量电场图具有涡旋波阵面的特性, 合适的阵列半径和馈线排列分布将产生携有良好轨道角动量特性的涡旋电磁波, 而不当的阵列半径或馈线排列分布将出现能量的分散或者相互耦合的问题。

采用磁隔离触发式的级联型高压脉冲电源解决了每一级联单元浮动供电的问题, 结构紧凑, 触发方式简单可靠。利用磁耦合隔离的触发方式, 触发信号一致性高, 产生的截止偏压信号可以对绝缘栅双极晶体管进行可靠关断。同时, 在每一级联单元附加切尾开关支路, 降低输出脉冲高压的下降沿, 提高级联型脉冲电源的适用性。研制的10 kV级联型脉冲电源, 每一个级联单元的额定工作电压为1 kV, 总共10组。电压调节范围0~10 kV, 工作频率1~10 kHz, 脉冲电流0~20 A, 脉冲宽度5~50 μs。

强电磁力是造成脉冲功率电缆损坏的主因, 其限制了脉冲功率电缆的通流能力。对同轴电缆导体层的受力情况进行了仿真, 探讨了电缆导体结构对脉冲功率电缆通流能力的影响。列举了使用过的一种同轴电缆, 分析了该种电缆外导体层的受力情况和结构变化趋势, 并讨论了试验结果。进一步对另一种结构的同轴电缆进行了分析和试验, 认为其具有更好的抗电磁力能力, 试验结果表明, 其峰值电流达到208 kA, 通流能力达到6.9 kA/mm2, 验证了这种电缆结构的优越性。

常规恒流充电电源输入端的功率随着输出电压的升高而逐渐增加, 充电结束时输入端的功率由最大值迅速降为0, 不仅需要电网能够提供近2倍于平均值的峰值功率, 还会造成电网电压的波动, 特别是在重复频率与工频接近的大功率应用场合时, 可能造成电网滤波系统的振荡, 影响供电可靠性和干扰其他用电设备。提出了一种带有储能环节的电路拓扑, 使得在对负载恒流充电期间, 输入端的功率保持在平均功率水平。充分利用了串联谐振电路断续工作模式的特点, 无需辅助变换器, 仅通过双向开关对电流的控制, 可将充电初期多余能量存储到储能环节, 并在充电后期逐渐将此能量向负载释放, 在充电启停时刻储能环节的净增能量为0。将上述拓扑电路添加到基于DC-link的恒流充电电源中, 进行了分析和控制参数推导, 并在输出电流8 A、最高输出电压5 kV的电源上进行了实验, 结果表明: 充电期间直流母线提供的电流基本稳定, 幅值为常规方案中最大母线电流的一半左右。

研究了一种新型的基于硅光导开关和磁开关串联的组合开关, 相比于传统的磁开关, 该开关能将数十μs的充电脉冲直接压缩到数十ns。比较了采用激光二极管触发时组合开关与单一硅光导开关的性能, 结果表明, 组合开关输出电流提高, 前沿及脉宽均大幅减小, 组合开关可以降低硅光导开关对触发光功率的需求, 从而使得采用激光二极管实现硅光导开关触发成为可能。

针对快前沿直线脉冲变压器驱动源(FLTD)系统中放电开关自击穿性能劣化的问题, 模拟计算了带电线缆、FLTD模块结构对开关间隙电场分布的影响规律, 研究分析开关自击穿性能下降的主要原因, 开展了电晕针均压和电阻均压两种方式下开关自击穿性能对比实验, 获得了不同电晕针长度、不同阻值开关自击穿电压的变化规律: 两种均压方式下开关自击穿电压分别提高3.2%和4.3%。FLTD系统中放电开关有均压措施的情况下, 系统自击穿电压提高8.9%, 自放电概率降低60%, 系统短路输出电流的稳定性明显提高, 电流幅值提高8.1%, 标准偏差减小30.8%。

绝缘体表面结构和微观形貌对提高器件真空闪络特性有重要影响。首次提出了表面具有均匀分布纳米级空穴聚合物绝缘子的化学制备方法。通过本体聚合制备纳米级二氧化硅颗粒均匀分布的交联聚苯乙烯复合材料, 机械加工成聚合物绝缘子后, 采用氢氟酸化学腐蚀的方法将绝缘子表面氧化物颗粒去除。采用透射电子显微镜、表面电阻率和短脉冲高压测试平台分别对处理前后绝缘子的表面形貌和绝缘等性能进行了表征, 结果表明: 处理后的交联聚苯乙烯复合材料绝缘子的表面形成了20~50 nm直径的空穴, 空穴的大小和数量分布分别由二氧化硅颗粒的粒径和加入量控制。这种具有特殊表面结构的新型绝缘子的沿面闪络电压较纯交联聚苯乙烯绝缘子提高了15%~20%, 并保持了较好的力学及加工性能。研究方法和实验结果对聚合物绝缘子的表面结构设计及高性能绝缘子的研制提供了一种新的途径。

介绍了一种用于软X射线辐射能量测量的电阻式薄膜量热计。利用电流的欧姆热效应对薄膜量热计的灵敏度进行了标定。在有基底薄膜的标定过程中, 采用一维热扩散模型, 考虑了金属薄膜向基底的传导热损失。利用电阻式薄膜量热计对聚龙一号装置钨丝阵Z箍缩产生的软X射线进行了测量, 并与平响应X射线二极管(XRD)探测器的测量结果进行了比较。实验结果表明, 电阻式薄膜量热计测量的软X射线辐射能量和辐射功率与平响应XRD探测器结果在测量不确定度范围内合理地一致。

采用砷化镓光导开关和Blumlein型脉冲形成网络以级联的拓扑形式构建平顶输出功率源, 驱动工业X光二极管产生X射线。提出了一种轮辐状金属-陶瓷沿面阴极, 并与普通金属阴极工业X光二极管重复频率实验结果进行比较。研究表明: 受限于阴极重复频率下的电流发射能力, 普通金属阴极工业X光二极管难以实现1 kHz重复频率, 采用新型阴极二极管实现了1 kHz重复频率2猝发脉冲X光输出, 这两个脉冲的二极管功率、X射线信号基本一致。

研制了一种电晕放电均压的小型多间隙串联气体开关, 分析了电晕放电在开关工作过程中的作用, 开展了开关自击穿特性、电晕放电伏安特性、针尖烧蚀以及开关寿命测试等特性实验。结果表明: 老练后开关自击穿电压标准偏差小于3.5%, 电晕均压效果明显; 随着放电次数增加, 电晕针尖逐渐钝化, 触发性能变化不大; 开关电晕放电电流随耐受电压升高增大, 增长趋势逐渐变快; 开关充400 kPa干燥空气, ±100 kV工作电压下开关放电50 000次以上, 触发性能稳定, 触发击穿时延抖动约4.3 ns, 自放电概率低于1×10-4。

针对电容储能型重频强流电子加速器对自动控制的要求, 研制了一套基于LabVIEW和PIC单片机的远程触发控制系统。本系统用普通的数据采集卡和单片机硬件实现了复杂的电路控制和时序控制, 具有信号采集、调用表格数据、控制晶闸管触发等功能, 以实现储能电容对变压器原边电容的稳定谐振充电。将该控制系统应用在重频强流电子加速器平台, 重复频率运行时, 能够保持原边电容充电的一致性和稳定性, 系统长时间运行可靠、稳定、抗干扰能力强。

切伦科夫辐射是一种方向性极好的辐射, 其辐射能量发射方向严格地与带电粒子的运动方向相关, 辐射光携带了带电粒子的方向信息, 利用这种特性可以进行电子束发散角及其分布的测量。在基于切伦科夫辐射原理的基础上, 考虑电子与物质作用时的多重库仑散射、电离等效应, 进行了电子束发散角测量的蒙特卡罗数值模拟程序的建模工作, 并完成了理想电子束及具有发散角分布的电子束的测量技术模拟工作。大量模拟结果显示, 这种测量方法是可行的, 具有对电子束发散角分布进行直接测量的能力, 并且其测量系统结构简单。

中国散裂中子源快循环同步加速器引出系统快脉冲冲击磁铁, 由分组安装于三个真空箱内的8台磁铁组成。对冲击磁铁进行磁场仿真和结构设计, 并使用仿真软件进行优化。仿真结果表明: 磁铁中心场60%宽度内的磁场均匀性达到±0.7%, 满足物理设计要求。同时, 对两台磁铁间距大小与互感的关系进行模拟计算和分析。磁铁结构设计中, 针对原样机中出现的铁芯不能可靠固定问题, 进行修改和完善, 并且设计出了一种简单实用的多螺栓滑动支撑结构, 可使多台磁铁平稳推入真空箱内, 同时完成多台磁铁的准直和固定。

双梁结构超导偏转腔可对带电粒子束进行快速的偏转或旋转, 具有紧凑、高效的特性, 在超导自由电子激光、高能粒子对撞机等加速器装置中具有广泛的应用前景。该类型超导腔设计研究的一个重点是双梁形状的选择和尺寸的优化。针对中国科学院高能物理研究所提议建设的、基于超导直线加速器的X射线自由电子激光装置, 采用CST MWS, CST PS, COMSOL, ANSYS等软件仿真手段, 结合理论分析, 完成了一款双梁形状为梯形的超导偏转腔的优化设计。该梯形双梁结构偏转腔具有良好的电磁和机械性能, 同时, 腔的尺寸更加紧凑, 加工难度也有所降低。

主要采用了蒙特卡罗方法对激光聚变实验装置外表面的中子和光子能谱及剂量进行模拟与分析, 引入了MCAM软件绘制激光聚变实验装置的三维模型图, 并自动转化为MCNP的输入文件, 进行了靶室屏蔽性能的蒙卡模拟, 从辐射防护的角度为屏蔽系统的建立、人员的辐射防护以及靶室材料的选择提供理论依据。通过模拟结果得出, CLAM钢作为靶室材料时, 其屏蔽中子产生的瞬发光子剂量, 在非孔道处是铝合金的1/2左右, 40 cm厚的混凝土屏蔽层对中子和光子起到了很好的屏蔽作用, 均降低了一个数量级, 另外在孔道处的中子和光子剂量, 加了混凝土的情况反而比裸靶室时高10% 左右, 建议对靶室孔道外部考虑额外的防护。

基于液电效应原理, 采用高压电脉冲放电对模拟岩样及实际砂岩岩样进行了压裂实验研究。脉冲电源最大储能40 kJ/20 kV, 放电电流最高可达70 kA。实验结果表明, 高压电脉冲能够在岩样中造成非常明显的裂缝, 可以在多个方向上造出多条具有一定高度(最大0.32 m)的裂缝, 近井筒裂缝无明显的扭曲, 裂缝的形态与放电电压、能量及放电次数有关。对模拟岩样压裂后产生的裂缝进行了三维形貌分析, 得到裂缝的表面平均粗糙度在0.430~1.075 mm之间, 具有一定的导流能力。

三维扫描技术获取的三维轮廓数据体积较大, 不便于三维数字博物馆数据的实时传输和显示。针对这个问题, 提出了基于复合抖动技术的三维轮廓数据压缩方法。首先, 利用虚拟结构光投影系统实现三维轮廓数据的图像存储。然后, 对图像的不同通道使用不同的抖动技术进行处理, 并将结果保存到8位灰度图中主要的3位或者3幅1位逻辑图中, 实现三维轮廓数据的进一步压缩存储。实验表明, 与提供的三维模型格式相比提出方法的数据压缩比高达75.9∶1, 非常适合三维轮廓数据的实时传输、重建与显示。

以GT-wave光纤为代表的泵浦增益一体化复合功能激光光纤是分布式侧面泵浦光纤技术的典型代表。GT-wave复合功能激光光纤具有良好的结构扩展性,泵浦注入路数可递增,泵浦光注入吸收和信号光增益放大都自然而均匀地实现,可有效热管理,转换效率高,稳定性好。英国SPI公司和美国IPG公司均采用此类光纤用于kW级高功率光纤激光器的研究和生产,我国相关研究单位也在逐步进入此研究领域并取得了初步进展。

研究了含有中间层的流体系统的双界面KH不稳定性。计算发现: 由于耦合作用, 界面KH不稳定性呈现出不同的增长模式。主要研究了对增长率影响最大的夹层厚度对增长模式的影响, 发现厚度小于半个扰动波长时, 耦合作用必须考虑。另外发现在特定厚度下, 界面不稳定性将出现简并的增长模式。