在近红外反射类激光薄膜中, 节瘤缺陷是引起薄膜激光损伤的主要因素。为了提高激光薄膜的损伤阈值, 对节瘤缺陷及其损伤特性进行研究具有重要意义。从“真实”节瘤缺陷和“人工”节瘤缺陷两个方面介绍节瘤缺陷的研究进展。基于“真实”节瘤缺陷的研究, 建立了节瘤缺陷的结构特征, 形成了节瘤缺陷损伤特性和损伤机制的初步认识, 利用时域有限差分法(FDTD)模拟了电场增强, 初步解释了节瘤缺陷的损伤机制, 发明了抑制节瘤缺陷种子源的方法和激光预处理技术, 减少了节瘤缺陷, 提高了薄膜损伤阈值。但是“真实”节瘤缺陷的性质, 如种子源尺寸、吸收性以及位置深度等, 都难以控制和预测, 难以开展节瘤缺陷损伤特性的系统和量化研究, 致使关于节瘤缺陷损伤的科学认识尚有不足。基于“人工”节瘤缺陷的研究, 可以实现节瘤缺陷损伤特性的系统、量化甚至单一因素研究, 极大地提高了实验研究的效率和可靠性, 获得了一系列定量损伤规律。“人工”节瘤缺陷的高度受控性使实验研究与理论模拟的可靠对比成为可能, “人工”节瘤缺陷的损伤形貌和FDTD电场模拟的直接比较实验不仅验证了时域有限差分法(FDTD)模拟电场的正确性, 也进一步明确了电场增强是诱导节瘤缺陷损伤的主要机制。对节瘤缺陷的损伤机制有了更为深刻的认识后, 人们开始调控节瘤缺陷的电场增强效应提高节瘤缺陷的损伤阈值, 发展了宽角度反射薄膜技术和节瘤缺陷平坦化技术, 抑制电场增强, 提高损伤阈值。这扩展了控制节瘤缺陷的思路和方法, 从原来单一的去除节瘤缺陷到调控节瘤缺陷, 为进一步提高薄膜的损伤阈值开辟了新的方向和途径。

针对结构光解码问题, 在传统相位测量轮廓术(PMP)理论的基础上, 提出一种结构光周期图案的统一解码方法。通过把经典PMP的相位计算公式运用到任何周期波图案中, 比如三角波、锯齿波、方波图案等, 通过多频时间相位展开算法实现了对包含高频率的图案的相位展开。实验结果表明, 提出的方法达到了相对高的精度, 验证了此方法的有效性。

为实现大尺寸、高储能的Nd: YAG板条激光增益介质模块的高可靠性工作,必须找到合适的封装工艺解决大尺寸无空洞、低热阻界面连接问题和界面低应力、低透射波前畸变问题。在充分了解板条激光增益介质和冷却单元的特性后,选择了延展性好的铟作为焊料,实验得到最佳焊料层厚度,通过改进封装工艺的钎焊技术将这两部分可靠地连接在一起。改进的封装工艺实现了钎焊面积大于40 cm2,空洞率小于0.5%,最大空洞面积小于1 mm2的技术指标,工艺重复性大于90%。通过对焊料层的优化实现了尺寸为150.2 mm×30 mm×2.5 mm板条激光增益介质静态透射波前畸变小于1 μm,成品率优于80%,静态透射波前畸变小于1.5 μm的模块成品率接近100%的技术指标。采用改进封装工艺焊接的单模块Nd: YAG板条激光器稳定输出功率达到4000 W。

研究了10.6 μm CO2激光加热硅芯光纤预制棒的温场分布, 在考虑预制棒表面热辐射和空气对流的情况下, 用有限元软件COMSOL Multiphysics建立了激光加热预制棒的传热物理模型, 比较了激光功率、激光光斑半径和预制棒直径对温场分布的影响, 同时提出CO2激光加热与石墨炉加热结合调节温场分布的方法。仿真结果显示, 激光参数和预制棒直径都会明显影响预制棒温场分布, 且激光光斑半径3 mm, 功率达到400 W的激光器可用于直径10 mm内的硅芯光纤预制棒制备硅芯光纤。通过CO2激光加热和石墨炉加热相结合的加热方式, 能更加灵活有效地调节预制棒的温场分布, 构建适合硅芯光纤拉丝的温场条件。

为了解决传统三维重建需要依赖系统标定信息的问题, 提出了一种基于相位图的不需要系统标定信息的三维视觉重建算法。首先使用结构光测量技术获得被测物体表面的相位图, 再利用相位图的横向和纵向空间扭曲特性计算物体表面相对深度信息, 最后实现被测物体的三维视觉重建。这种方法可以用在无法进行标定或无法获取标定信息的场合。实验结果表明, 当被测物体表面结构简单时, 这种方法的三维视觉重建效果较好。并通过对比传统三维重建结果验证了该方法的有效性。

在激光聚变研究中, 存在大量具有陡峭不连续界面特性的靶丸等离子体诊断问题, 需要借助Abel反演方法对结果进行分析。 提出了一种基于基函数展开处理不连续径向分布的Abel反演方法, 采用带约束的Landweber迭代法求得优化结果。利用该算法可以对不连续阶跃分布进行比较准确的反演, 获得阶跃结构特征。在理想情况下, 针对不连续阶跃分布的反演方差好于10-4, 即使在存在一定噪声的情况下也仍然可以获得较好的结果。该方法可用于对激光聚变研究中压缩过程中球壳的背光照相、自发光成像、光谱测量等诊断结果的数据分析。

基于透射式阴极发射模型和平响应XRD原理, 设计了透射式阴极, 并制作550 nm CH+50 nm Au的阴极, 并在神光Ⅲ原型装置上开展了初步验证实验。首先利用反射式XRD施加负偏压的实验开展直穿光影响评估, 施加偏压为-1500 V时, 没有观测到探测信号, 表明直穿光产生光电子得到了有效抑制。利用原型主激光与第九路激光打靶实验, 施加负偏压的透射式XRD获得探测信号显示第二个峰值信号延后第一个信号3.01 ns, 该结果与第九路激光延迟时间一致, 时间分辨能力满足实验要求。

利用等离子体聚合技术制备的GDP壳层是目前ICF靶丸的主要烧蚀层材料。为了了解GDP薄膜沉积过程中的CH等离子体的状态, 采用朗缪尔探针和质谱仪对C4H8/H2等离子体的组分和状态参数进行了诊断, 并对等离子体的电子能量分布函数、电子密度、电子温度等进行了深入分析。同时讨论了等离子体状态与放电参数之间的关系。研究发现, 射频功率对等离子体参数有明显的影响。从10 W到35 W, 电子密度正比于射频功率。随着射频功率的增加, 在两步电离机制作用下, 电子温度和等离子体电势呈现先减小后增大的变化趋势。另外, 在高气压下, 质谱诊断中发现了大量的稳定的小质量碎片离子, 这表明在高气压下等离子体气相中的离子碎片聚合反应被抑制。

为分析口径天线辐射场方向性, 在计算等效面磁流的同时, 引入等效面电流的作用, 对辐射远场方向性进行了修正, 解析公式更适合描述自由空间中口径天线的辐射场; 在时间域对冲激脉冲口径辐射场方向性进行分析, 得到以下结论: 馈入脉冲宽度变宽、口径尺寸减小、口径场幅度锥削分布, 以及球面波前均会降低辐射场方向性; 辐射场存在时域波形延拓现象, 即存在空间色散问题; 球面波使口径辐射场方向性迅速恶化, 在远区得到一个主轴附近峰值场强相对平坦, 而在一定角度峰值场强迅速下降的场。

设计了一种工作在Ku波段的低磁场同轴相对论返波管。器件工作在同轴TM01近π模式, 采用两段式慢波结构构型, 在前后段慢波结构中分别主要进行电子束调制与能量提取, 以实现高效率工作。通过设计非对称反射腔, 引入电子束预调制, 进一步加深电子束调制深度, 提高了束波互作用效率。通过调节慢波结构中间漂移段长度, 进一步优化器件内部场分布, 提取段慢波结构处轴向电场强度得到显著增强, 器件工作效率可提升至35%。最终, 当磁场强度0.6 、二极管电压490 V、二极管电流7.5 A时, 获得1.27 GW微波输出, 效率约35%, 微波频率为14.7 GHz。

利用高折射率的金属超材料作为移相器, 设计了一种紧凑型高功率微波TEM-TE11模式转换器。通过研究同轴扇形金属栅格超材料的传输特性, 得到高折射率的全金属超材料。采用CST Microwave Studio 软件对金属超材料TEM-TE11模式转换器进行了数值模拟, 结果显示: 该转换器在1.56 GHz附近转换效率大于96%, 相对带宽约4%, 功率容量不低于2 GW, 系统纵向长度仅0.42个波长。将所设计的模式转换器结合L波段磁绝缘线振荡器开展了一体化设计, 在器件输出口得到了TE11模高功率微波输出。

设计了一个过模太赫兹返波管振荡器, 通过对慢波结构的精心设计, 使电子束动能得到充分提取, 实现器件的大功率及高效率运行。在电子能量和束流分别为280 keV和320 A的条件下, 当引导磁场强度为3 T时, 采用2.5维Particle in Cell (PIC)程序模拟得到频率为121.8 GHz、功率为13 MW的太赫兹波输出, 器件的束波转换效率约为14.5%。

针对新型螺旋线慢波结构——双矩形螺旋线慢波结构, 即在金属屏蔽框内平行加载两个具有矩形横截面形状的自由螺旋线慢波结构, 利用三维电磁仿真软件对其高频特性(色散特性和耦合阻抗)进行模拟研究。结果表明: 在相同位置处, 与单矩形螺旋线慢波结构相比, 双矩形螺旋线慢波结构色散特性变化很小, 却有着更高的耦合阻抗; 同时, 在包含这些位置的空间部分, 可采用带状电子注与该慢波结构进行注波互作用, 使输出功率进一步得到提高。

设计了一种用于测量V波段过模高功率毫米波源在线功率的选模耦合器。利用小孔耦合理论和微元法对菱形耦合缝隙进行了理论分析, 采用两组相同的菱形耦合缝隙实现选模功能, 缩短了耦合器长度, 增加了工作带宽。采用数值模拟的方法对耦合器结构进行优化设计, 模拟结果表明: 在60 GHz频点处, TM01模耦合度约为50 dB, TM02模耦合度仅为75 dB, 对TM02模的抑制度为25 dB; 在500 MHz带宽内对TM02模的抑制度大于15 dB, 1 GHz带宽内的抑制度大于10 dB, 可满足工作于TM01模的V波段高功率毫米波测试需求。同时针对工作于高次模TM0n(n=2,3,4,…)的器件设计了可抑制TM01模的耦合器, 为高次模工作的高功率毫米波器件的在线功率测量和模式诊断提供了技术方案。

为了开展大口径天线短脉冲微波辐射特性研究, 建立了一套大口径天线微波短脉冲特性测试系统。该系统可产生快上升沿、脉冲可调(脉宽最短可到0.5 ns)的微波激励脉冲、接收动态范围大于52 dB。利用该测试系统进行实验, 获得了不同微波激励脉冲宽度条件下, 天线方向图和辐射场波形脉冲宽度变化曲线。测试结果表明: 在天线远场距离处, 改变微波激励脉冲宽度, 对天线主轴辐射场波形基本无影响; 而在偏离主轴处, 辐射场波形会出现不同程度的脉冲展宽及幅值减小等波形畸变现象, 偏离主轴角度越大, 微波激励脉冲宽度越小, 畸变越明显。

提出了一种基于人工传输线并采用双面平行带状线实现的小型平衡型Wilkinson功分器。该器件采用人工传输线取代传统传输线以减少电路尺寸, 同时引入双面平行带状线结构用来实现功分器平衡的功能。设计的功分器尺寸仅为传统Wilkinson功分器的25%。测试结果表明, 设计制作的平衡Wilkinson功分器在0.83 GHz至1.05 GHz带宽范围内相位平衡度±1.28°, 幅度平衡度±0.17 dB, 回波损耗大于16.79 dB, 端口隔离度大于16.21 dB。测量结果和仿真结果吻合良好, 证实了该功分器具有良好的性能。

介绍了一种应用在高功率VHF频段可变脉冲产生及辐射系统的组成。在实验室条件下, 通过优化设计、调节实现了数ns至数十ns脉冲宽度辐射输出。利用开路容性天线加载可调电感原理, 达到辐射脉冲宽度可变的目的, 同时通过并联引入耗能大电感, 实现减少辐射脉冲拖尾, 增加系统效率的功能; 并利用高能量、快脉冲电源为种子电源, 为放电回路进行储能放电, 利用这一体制减小了系统辐射脉冲间的同步抖动。

在基于μ子多重库仑散射的断层成像技术中, 天然宇宙射线中不同动量的μ子在同一目标对象中的散射特性存在明显的差异, 这在一定程度上影响了成像分辨率。为了减少或消除这种不利影响, 建立了一套基于天然宇宙射线μ子动量谱的多群模型, 并检验其用于铅板厚度测量及平板材料识别中的性能和特征。结果表明, 采用基于μ子动量谱的多群模型能够实现1~16 cm范围内铅板厚度的准确测量, 相对误差小于5%。此外, 该多群模型还可以通过计算辐射长度来识别未知平板的材料组成, 尤其是对于高原子序数材料组成的平板, 其辐射长度相对误差小于4%。

针对闪光照相图像受模糊及噪声影响的问题, 提出了一种基于约束优化的闪光照相图像重建算法。该算法建立基于平行束投影的正向成像矩阵, 并通过嵌入模糊矩阵表达成像过程中的模糊因素, 采用最速下降法求解重建问题。在算法中设计了预优矩阵以提高迭代重建速度, 利用客体密度值非负、密度分布分段光滑并含有阶跃性边界的先验知识,设计和采用了非负约束、光滑约束及广义变分边界约束条件。对仿真FTO客体图像及实际闪光照相图像的重建结果表明, 基于约束优化的重建算法具有良好的边界保持能力及噪声抑制能力, 可以有效提高图像重建质量。

基于前沿约100 ns、电流约100 kA的快前沿直线脉冲变压器(FLTD)平台, 开展了单丝电爆炸相关实验研究。围绕FLTD平台搭建了激光探针和可见光分幅相机等离子体图像诊断系统, 采用可见光PIN和XRD分别测量了单丝电爆炸的辐射特性。实验获得了不同时刻对应的W丝(15 μm)和镀膜W丝(15 μm W+2μm 聚胺亚胺)电爆炸的物理图像, 呈现了两种情况下金属丝融蚀过程以及等离子体不稳定性发展的过程。实验结果表明, 镀膜能够增加电流初始阶段的能量馈入, 进而改善金属丝的电爆炸特性。

为了控制快速变化的等离子体垂直位移, 研制了基于IGBT的大功率H桥快速可控电源, 额定参数为±500 V/±3 kA。旧的快控电源由于结构以及控制策略的原因, 导致IGBT关断过电压高、工作频率低、续流过程不可控产生的电压宽脉冲等问题。针对这些不足, 新的H桥快速控制电源首先重新设计了电源的结构, 使其更加紧凑, 减小了电源的寄生电感, 从而降低了IGBT的关断过电压。其次, 通过改变电源的控制方式, 电源的工作频率达到IGBT开关频率的2倍, 增大了电源输出电压的频率, 等效提高了电源的快速响应能力。同时, 为电源重新设计了一种可控的续流方式, 通过对IGBT的控制改变电路的续流回路, 使续流过程可控。通过实验研究可知, 电源的响应时间为125 μs, 在等离子体位移发生变化时电流能够快速响应, 控制等离子体位移, 保证托卡马克装置的正常放电, 并且通过新的续流控制方式, 使电源在续流时不会再出现续流不可控导致的宽电压脉冲问题, 输出电压能够有效地跟踪给定电压值变化。

研究了一种新型大功率激光脉冲二极管的输出特性, 该激光二极管主要用于触发工作在高增益模式下的砷化镓光导开关。研制了基于射频金属-氧化物半导体场效应管的激光二极管驱动电路, 可以为激光二极管提供上升沿、半高宽和峰值电流分别为4 ns,20 ns和130 A的脉冲驱动电流。研究了激光二极管输出的激光脉冲波形、能量、功率、光场分布等特性, 并在Blumlein传输线结构中, 研究了该大功率激光脉冲二极管的输出特性对工作于高增益模式下的光导开关的导通电阻、开关抖动等主要导通性能参数的影响规律。实验结果表明, 激光脉冲的能量和功率越大, 光斑面积越大、分布越均匀, 在相同偏置电压条件下, 光导开关的导通性能越好。

以天光Ⅱ-A装置X-pinch负载腔为例, 采用包含场致发射、二次电子倍增模型的三维模拟软件OPAL, 对复杂结构中真空绝缘体沿面闪络的产生与发展阶段进行了模拟研究。模拟结果表明, 阳极产生的二次电子在平行于绝缘体表面的电场分量的作用下从阴极座向大半径的运动, 是导致沿面闪络的主要原因。并提出了阻断沿面闪络的方法及其原理。采用阻断沿面闪络的措施后, 后续多次X-pinch负载腔放电实验证明, 正常的回流电流增加了近20%, 真空绝缘体上的沿面闪络得到了抑制。

在对神龙二号加速器绝缘环进行耐压考核时发现, 感应腔中的绝缘支撑部件交联聚苯乙烯绝缘环在猝发多脉冲高压加载下出现的真空沿面闪络现象存在两种类型: 阴极始发的闪络击穿和阳极始发的闪络击穿。通过计算绝缘环的沿面电场分布、对比击穿电压波形与绝缘环表面闪络放电烧蚀痕迹, 结合小绝缘子样品实验结果对以上沿面击穿现象的机理进行了分析, 认为可能是绝缘环端面与电极面的配合问题引起了加速段与注入器绝缘环击穿现象的差异。

电子云不稳定性是强流质子加速器稳定运行的一个重大障碍。在电子云积累的过程中, 二次电子多级倍增是电子云的主要来源。二次电子多级倍增机制可以用电子的运动和能量增益来分析。为了得到电子云的密度及分布, 编写了一个模拟程序用来跟踪电子云的发展演化过程。分析了在质子束团作用下电子的运动, 分析二次电子多级倍增的原因, 并用模拟程序进行了计算, 结果发现电子云与束团的纵向分布密切相关。

对束流信号进行展宽处理是储存环逐束团位置测量RF前端设计的重要工作之一。针对上海光源储存环束流信号的特点, 对束流信号展宽进行分析, 采用低通滤波器和包络检波联合的方法对信号进行展宽。考虑到实现过程需要对信号进行ps量级的延时, 使用微带传输线对该方法进行了具体设计。对微带传输线等效为集**数LC元件进行推导以进行低通滤波器设计, 给出了阻抗匹配方案以实现宽带功率分配器与合成器。仿真和实测结果表明, 所设计的电路能够对束流信号进行有效展宽处理。

提出了一种基于高次模式的谐振腔束团长度测量技术, 新方法的谐振腔工作于高次本征模式TM0n0。这样的谐振腔拥有更大的腔体半径, 从而移除了谐振腔半径必须大于束流管道半径这一原则带来的工作频率限制。为国家同步辐射实验室未来的正电子源设计了一台双腔束团长度监测器, 讨论了谐振腔工作频率的选择并推导了束团长度的计算公式, 监测器的谐振腔工作于TM020模式, 其半径远大于使用TM010模式的传统方法, 在CST软件中模拟的结果显示其束团长度测量精度好于7%。

针对具有多丝、多条带结构特征的用于核物理实验的气体探测器, 采用节点组合法并利用有限元程序实现电场的计算。该方法构建宏观几何模型, 去除了丝状、条带状结构, 能够获得准确的计算结果。基于对该方法的验证, 以MSU研制的SπRIT-TPC为研究对象, 获得了该装置的二维电场分布以及电子在探测器中的漂移模拟结果。计算结果与GARFIELD程序得到的结果一致。采用节点组合法的有限元方法可用于复杂探测器结构的电场计算, 并用于后续的探测器模拟计算, 能够极大提高探测器的模拟效率。该方法也可适用于复杂结构的三维电场计算。

研究了溴化镧晶体在高剂量率照射下的线性响应特性, 采用李萨如图形法测量得到溴化镧晶体对γ高剂量脉冲的线性响应上限。实验结果表明: 溴化镧晶体在能注量率小于2.0×1018 MeV/(cm2·s)时输出仍为线性, 当能注量率高于此值时, 晶体的响应出现非线性现象。

当应用MCNP程序的SDEF卡进行固定源问题的源信息描述时, 需要对源的分布进行描述, MCNP程序提供了SP卡用以指定源在各个栅元中的分布概率, SP卡中的V选项用于便利用户实现体密度方式的源强分布描述。研究发现, 该程序存在一个缺陷, 在使用SP卡V选项时可能会导致计算结果的不准确。通过构建典型算例模型, 对使用V选项和不使用该选项的计算结果进行对比分析, 可以证实该缺陷的存在, 并且能够证明可以通过其他源描述方法在具体的程序使用中规避该缺陷。

针对移动式小尺度参考辐射(MRR)装置(移动式校准装置),在进行射线辐射剂量测量的仪器仪表标定或刻度时,应满足其辐射屏蔽安全限值5μSv/h的屏蔽技术要求,采用蒙特卡罗输运程序MCNP,开展了移动式小尺度参考辐射装置表面剂量场屏蔽的模拟计算和研究分析工作。研究结果表明,通过MCNP模拟的屏蔽设计方法可以详尽反映MRR装置各个表面的剂量分布特征和规律,实现移动式小尺度参考辐射装置屏蔽设计,采用的铅钢材料复合屏蔽方案能够保证装置硬度且显著地减轻屏蔽体的重量,最终获取的优化MRR屏蔽箱体重量约为271.9kg。

基于将表面织构技术应用于刀具表面可以有效改善刀具切削性能,结合拉刀材料性能,提出一种微织构拉刀的加工方法。利用激光加工技术在拉刀后刀面加工出一种微织构,并研究各种加工参数对织构形貌的影响。深入研究Q频、功率、扫描速度及加工次数对织构及其润湿性的影响。实验结果表明:低Q 频下织构边界模糊,高Q频下边界清晰;随功率上升,织构边界膨胀严重,重铸区不断增大;加工次数与微织构深度近似成正比关系;随扫描速度增大,材料的去除率下降,材料残留明显;制备完成初期织构表面存在能量残留,使得疏水织构出现亲水特性。

使用分子动力学方法模拟惯性约束聚变(ICF)玻璃微球靶丸材料的碱金属硼硅酸盐玻璃, 研究了不同SiO2与B2O3和不同Na2O与B2O3物质的量比的微观结构, 包括键长、键角、配位数以及空穴的分布情况。通过模拟发现, 在不同组分的碱金属硼硅酸盐玻璃中, 硅原子的网络体结构相对稳定, 硼原子的结构会随着成分的变化发生明显变化。同时, 针对实际的ICF实验中对玻璃微球充入惰性气体氩的问题, 模拟发现, 当SiO2与B2O3物质的量比为40.5, Na2O与B2O3物质的量比为17.4, 8.5, 4.2时, 玻璃中存在有较多的供氩扩散的空穴。