六通黑腔是我国独立自主设计的新型激光惯性约束聚变驱动腔型。在大型激光装置上采用全束组注入方式, 首次获得了新型六通黑腔10~20倍收缩比综合内爆完整配套实验数据, 实现最高YOC2D(实验产额/二维模拟产额)达80.4%的综合内爆性能。

采用化学气相沉积结合气相/液相复合掺杂方式制备30/600 μm掺镱双包层光纤, 石英纤芯中的掺杂组分为Yb2O3, Al2O3, P2O5。基于976 nm发光二极管反向抽运方式, 构建全光纤化的主控振荡器功率放大器结构对增益光纤进行测试。实验中, 种子源功率为189 W, 当泵浦总功率为4747 W时, 激光输出功率为4120 W, 放大级光光效率为85%, 3 dB带宽为1.6 nm。激光器连续工作1 h, 激光功率稳定在4100 W, 未发生明显的功率衰退现象。

引入潜热型功能热流体替换现有传统工质冷却大功率激光器, 实验研究了潜热型功能热流体与传统工质去离子水在高4 mm、宽2 mm、间距1 mm的微针肋内的层流流动换热特性。结果表明: 在雷诺数Re为625～1125范围内, 潜热型功能热流体均表现出比水更好的冷却性能及更低的壁面温度, 且存在最佳的质量分数值; 相同工况下, 潜热型功能热流体平均努谢尔数Nu大于去离子水, 平均努谢尔数Nu随着雷诺数Re的增加而增加。拟合了平均努谢尔数与流体雷诺数、普朗特数、质量分数的经验的关系式, 最大偏差为16.9%, 可以较好反映潜热型功能热流体的换热特性; 潜热型功能热流体沿着流动长度的方向存在一个稳定的局部换热强化区, 且强化换热存在最佳的长度。

在空心导管泵浦耦合系统中, 测量了激光二极管叠阵中巴条的实际指向性, 并带入仿真建模中, 以便获得更准确、更优的模拟结果。与采用理想巴条指向性的模型模拟结果相比, 耦合系统的耦合效率降低了11.2%。同时, 带入实际指向性的模型模拟结果, 具有更大的能量传输损耗和调制更深的泵浦光场分布, 且该仿真模拟结果与实验结果相符。结果表明, 在空心导管耦合系统设计中, 带入实际巴条指向性模型是获得精确模拟结果的必要条件。

在激光尾场加速中, 光学注入是一种有效的可控电子注入机制。然而, 低电量、大发散度的电子束特性无法满足实际应用的需要。为获得大电量、高品质电子束提出采用紧聚焦的超高斯激光作为注入脉冲的新型注入方案。研究发现, 相比于普通高斯激光, 紧聚焦的超高斯激光不仅能够将电子束发散度降低近一个数量级, 而且能够保持电子束电荷量不变。通过哈密顿理论模型证实, 离轴电子是发散度的主要来源, 而紧聚焦的超高斯激光极大地限制了离轴电子的注入, 因此有效地降低了电子束的发散度。

增益发生器是影响高能氟化氘(DF)化学激光器恢复压力的核心组件, 采用传统增益发生器的DF激光器尾气恢复压力约为6.7 kPa。设计了一种紧凑化TRIP型增益发生器, 突破了高腔压运转、主气流气幕和激射腔边壁回流抑制等关键技术, 实现了DF激光器尾气恢复压力的大幅提高。实验结果表明, 在面积比流量为1.3~3.3 g·s-1·cm-2的范围内, 随着增益发生器面积比流量的提高, 激光器尾气恢复压力有效提高, 面积比功率持续增加; 在面积比流量为3.3 g·s-1·cm-2条件下, DF激光器可以实现26.7 kPa背压(海拔10 km大气压)下的高效运行。

聚α-甲基苯乙烯(PAMS)是制备激光惯性约束聚变(ICF)用靶丸的重要芯轴材料之一。采用快速热解气相色谱-质谱法(Py-GC-MS)和热重分析技术(TG/DTG)分析了不同分子量PAMS的热降解产物和热降解温度, 并通过Arrhenius方程计算了不同分子量PAMS的等温热降解活化能。结果表明: 分子量对PAMS热降解产物的影响可忽略不计, 其热降解产物均为α甲基苯乙烯单体, 且产率均接近100%; 热降解温度随PAMS分子量的增加而降低, 其热降解温度介于240~450 ℃之间; 在相同降解率下, 随分子量的减小, PAMS的热降解活化能增加, 且PAMS的热降解活化能随着热降解率的增加而增加。

针对自由电子激光、同步辐射光束线以及惯性约束聚变、极端条件物理过程等X射线光学系统, 开发了具有独立知识产权的光学设计仿真软件X-LAB。基于光学衍射算法和序列式光线追迹算法, 该软件集光线追迹仿真、矢量衍射仿真和复杂微结构特征光学元件版图绘制等功能, 具有界面友好、操作便捷、包含特殊光学模块、支持“用户定制”功能等特点, 为开展X射线光学系统、光学元件概念设计、优化和研制提供了不可或缺的平台。目前, X-LAB成功应用于能谱分辨率优于1000、能谱范围10~100 eV的北京同步辐射3B1无谐波单色化束线设计中及空间分辨优于6 μm, 视场500 μm的惯性约束聚变物理过程X射线诊断光学系统——K-B镜系统的设计和优化中; 具有复杂微结构光子筛版图绘制功能。

为了简便快捷地计算微波击穿电场, 依据电子扩散模型的基本理论, 结合气体放电的基本参量, 应用特征扩散长度的概念, 给出了适合于规则结构微波部件的击穿电场的计算方法。为避免各种气体参数的不确定性对计算准确度的影响, 对等效直流电场与特征扩散长度之间的实验关系进行了拟合, 并根据等效直流电场的定义, 得出了一个适用于较高气压范围的击穿电场计算表达式。为了将该计算表达式扩展到更低的气压范围, 综合考虑了电子扩散模型和基于二次电子发射现象的真空微放电机理, 引入了一个合理形式的等效扩散长度, 进一步给出了适合于更广气压范围的微波击穿电场的计算表达式, 计算结果更符合A.D.Macdonald的实验结果。

设计了一种新的具有良好选择性的小型化的双模双通带带通滤波器。该滤波器的谐振结构由两个短路枝节加载谐振器(SSLR)连接到同一个接地金属柱构成。首先通过奇偶模分析方法分析单个SSLR的谐振频率, 得到谐振频率的变化规律; 然后为了实现滤波器的小型化, 将两个SSLR连接到同一个金属柱上并且折叠微带线, 通过调节枝节长度分析滤波器通带的变化; 设计中使用双枝节分别对谐振器馈电的结构, 并且引入了源与负载耦合, 可以在上阻带多提供一个传输零点, 以提高阻带抑制; 最后对滤波器的传输零点进行分析, 提高滤波器的选择性。通过上述的分析, 对该滤波器进行仿真、加工以及测试, 得到最后实物的测试结果与软件的仿真结果较为一致。

同轴回旋管中不可避免发生内导体倾斜。主要研究了内导体倾斜对特征根、Q值、谐振频率、横向电场、模式竞争和电子效率的影响, 并以170 GHz TE31,12内开槽同轴回旋管作为实例对内导体倾斜理论进行验证。结果表明, 特征根和Q值随倾角θ增大而略微增加。在0~0.5°范围内, 当θ稍微增大时, 电子互作用效率稍微减少。如果θ增加到1.3°, 则由于模式竞争严重, 且横向电场畸变严重, 电子互作用效率降低到只有5%。受内导体倾斜的影响,随着θ增加, 无论热腔还是冷腔, 谐振频率都稍微增大。

波荡器电子轨迹中心偏移和磁场误差对CTFEL装置性能影响很大, 通过前期设计和后期测量与优化将其限制在指标要求范围内。在前期设计中尽量避免引入全局性的系统误差: 磁结构具有平面反对称结构, 保证电子轨迹中心和波荡器磁轴重合; 磁结构端部的特殊设计减弱了间隙对出口磁场二次积分的影响; 机械系统的大梁和立柱具有良好的刚性, 闭环控制系统保证了高的波荡器间隙控制精度, 这些措施降低了间隙不一致引入的磁场误差。在后期测量与优化中削弱了磁场的残存全局系统误差和局部随机误差: 利用磁场点测台测量了波荡器磁场的纵向和横向分布, 通过调节标准单元组件位置对磁场进行了垫补和优化, 优化后电子轨迹中心偏移、峰峰值误差、相位误差、好场区及其误差均满足指标要求。

随着信息产业和相关无线电通信业务的不断发展, 频谱管理问题将更具挑战性。合适的频谱管理方法使得发射机有效地重复利用频率, 用户设备(UE)可以选择最佳的基站。电磁环境地图(REM)概念作为解决频谱稀缺性和提高频谱利用率的工具, 使不同的用户有效地共享频谱资源。电磁环境地图正在成为越来越普及的干扰管理和资源分配方法。构建电磁环境地图并不需要昂贵和耗时的调查或复杂的校准过程。给出了Shepard插值技术, 并在某些方面对其进行改进, 从而构建精确的电磁环境地图。此外, 通过均方根误差(RMSE)作为性能度量, 对测量值的数量和分布的影响进行分析比较。仿真结果表明, 通过迭代聚类采样和优化的Shepard插值技术, 并增加测量次数, 从均方根误差的性能指标角度出发, 能获得最精确的电磁环境地图。

采用混合矩阵法, 分析了磁化分层等离子鞘套对斜入射电磁波传播特性的影响, 分别计算了不同入射角以及外加磁场下电磁波透射系数和极化特性的变化。以GPS导航信号右旋圆极化波(RCP)为例, 研究了磁场、电子密度对电磁波右旋圆极化特性的影响。结果表明, 外加磁场能够使右旋圆极化波在等离子体中的阻带向高频方向移动, 此外, 外加磁场能在一定程度上改善斜入射是圆极化波的极化特性, 有利于GPS信号接收。

为了将卫星导航接收机输出的导航解应用于飞行器导航和**发射测试等应用领域, 需要将导航解中的大地高数值转换为概略正常高数值, 但是不同应用领域对于概略正常高的需求是不同的。为了满足不同精度的概略正常高估计需求, 实现以较短的计算时间和较小的存储空间开销来支撑实际的卫星导航接收机应用, 提出了一种基于简化EGM96模型的概略正常高估计算法。以基于360阶360次EGM96地球重力场模型和2190阶2159次EGM2008地球重力场模型的计算结果为基准, 统计了该概略正常高估计算法的计算时间和计算精度等指标。通过在全球格网点和亚太区域格网点测试结果的比较分析可知, 该概略正常高估计算法可以求解不同精度等级的概略正常高, 能够满足卫星导航接收机在亚太区域以及全球范围内的概略正常高估计的精度和时效性要求。

栅极组件热变形是影响离子推力器工作性能及工作寿命的主要因素, 为研究栅极组件升温过程中温度场分布及变化规律, 探索能较准确模拟栅极温度场的方法, 建立了栅极组件1/12全尺寸有限元模型进行温度场仿真计算。同时, 基于实验室搭建的温度测量平台, 测量了大气环境下加热时栅极组件的瞬态温度变化。对比有限元分析求解与试验过程中的温度场, 加速栅平均误差为14.4%, 屏栅平均误差为9.7%, 双栅最大误差不超过18.4%, 验证了有限元模型及方法的可信度和合理性。

为了研究聚四氟乙烯材料(PTFE)在空间粒子环境中放电规律及其影响因素, 通过实验获得了高真空低能电子辐照下PTFE高压直流沿面闪络电压, 并采用等温电位衰减法测试了PTEE在辐照前及辐照后的陷阱密度, 分析了影响PTEE沿面闪络电压的因素。研究结果表明: 相比于无辐照时PTFE沿面闪络电压, 当辐照电子能量为19～25 keV时, 闪络电压明显更高; 在电子束流密度不变的情况下, 电子能量越高, 材料表面正电荷密度越小, 陷阱密度与电导率越大, 电场畸形程度越小, 因此闪络电压升高; 当电子能量一定时, 束流密度越高, 初始电子数量和二次电子数量越多, 因此闪络电压降低。

对层析粒子图像测速(PIV)技术中示踪粒子成像部分进行理论分析, 并结合真实风洞的相应参数, 通过搭建模拟粒子成像平台的方法来进行研究。设计了一套体积为80 mm×100 mm×100 mm的激光照明系统, 以提供粒子场的入射光强。建立了示踪粒子的三维成像模型, 从而得到层析PIV系统的模拟图像。分析了影响PIV系统成像质量的相关因素。在单像素粒子数为0.007 7的情况下, 通过真实粒子图像和模拟粒子图像比较, 验证了该方法的正确性。

针对闪光图像得到的光程数据, 采用贝叶斯分层模型建立了后验概率模型, 运用Gibbs抽样动态构造马尔可夫链; 进而获得了关于线吸收系数的统计结果及其不确定度, 并与约束共轭梯度(CCG)方法进行对比分析。数值实验结果表明, 马尔可夫链蒙特卡罗(MCMC)方法对理想光程图像的重建结果与真值近似完全一致; 在含模糊和噪声时, 重建结果与CCG方法相当; 当含模糊且噪声干扰较大时, MCMC方法的重建结果要略优于CCG; 更重要的是MCMC方法能够给出重建结果的不确定度。

基于粒子云网格的计算方法, 建立了具有外电路的加速系统模型, 模拟了氘离子束轰击靶面产生二次电子的过程, 动态地分析了二次电子的产生对离子加速电压的影响以及对氘离子束束流品质和氘离子束轰击靶面能量的影响。结果表明, 当有0.06 A的二次电子电流产生时, 离子加速电压将会下降45%, 从而导致氘离子束束流品质下降, 参与氘氚反应的氘离子数减少, 相应的氘离子束轰击靶面的能量下降43.8%。

中国散裂中子源(CSNS)反角白光中子源束线主要由中子束窗、中子开关、中子准直器和真空管道等组成。为了保证CSNS反角白光中子源束线安全、稳定、可靠地运行, 研制了基于EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System)软件架构的控制系统。该系统主要由中子束窗、中子开关及中子准直器的运动控制系统、真空控制系统和控制室三部分组成, 实现了对反角白光中子源束线主要设备的远程监测和控制。测试结果表明, 该系统具有稳定可靠性高、人机交互友好的特点, 很好地满足了反角白光中子源束线运行的需要。

介绍一种大功率半导体激光泵浦固体激光器(DPSSL)脉冲驱动电源的设计电路及其控制方法。根据半导体激光器的工作特性, 采用前级电容充电电路与后级脉冲电流产生电路相结合的电路结构。由于LCC谐振电路具有软开关特性和抗负载短路、开路的能力, 又能够实现对储能电容恒流充电的功能, 因此其适合做为脉冲电源中储能电容的充电电路; 后级脉冲电流产生电路选择大功率MOSFET做为主控器件, 利用MOSFET饱和区的漏极电流可控性, 通过栅极电压控制产生负载脉冲电流。控制部分采用模拟与数字相结合的控制方式, 使脉冲电源控制更加灵活, 引入脉冲电流指令给定积分器, 可以更有效地控制脉冲电流上升过程, 抑制电流过冲, 提高控制精度, 使脉冲驱动电源产生类似矩形波的大功率脉冲电流。搭建了脉冲功率为28 kW的实验平台, 实验达到的指标: 脉冲电流幅值80 A, 脉冲电压350 V, 脉冲宽度100 μs, 重复频率100 Hz。

研制了一台用作脉冲中子源的稠密等离子体焦点装置(DPF), 其放电室为Mather型结构。介绍了整个装置的工作原理及系统组成, 详细论述了放电室的设计方法。实验结果表明, 在550~600 Pa充氘压力范围下, 当储能电容充电电压大于19 kV时, 装置的平均中子产额大于5.0×108(D-D)中子/脉冲, 中子脉冲宽度(FWHM)为(40±5) ns。该装置能用于中子、伽马辐射诊断中探测系统灵敏度实验研究, 也可用于开展快中子照相、中子活化分析以及单粒子效应等方面的研究工作。

闪光X射线照相是获得高凝聚态物质内部物理图像的重要手段, 阳极杆箍缩二极管是X射线源的重要组成部分之一, 其设计直接影响X射线源稳定性。由于受装置结构及真空等因素的影响, 使得阴阳极几何中心同心存在一定的困难。因此, 评估同心偏差对二极管物理特性的影响, 对提高闪光X射线源稳定性具有重要的意义。针对阴阳极几何中心同心偏差问题开展实验研究, 分别取三种同心偏差度(小于1%, 1502%和22.92%)状态。在1 MV电压下获得了不同同心偏差度下二极管电参数特性, 并在此基础上结合理论模型分析了同心偏差度对二极管物理特性及电极等离子体扩散速度的影响。研究结果表明, 随着同心偏差度增加, 磁绝缘阶段阻抗下降率及等离子体扩散速度呈非线性增加, 同时造成该阶段二极管阻抗与脉冲驱动源输出阻抗失配严重, 降低了二极管与脉冲驱动源的能量耦合效率。

中国散裂中子源一期工程的直线加速器, 共有8套数字化射频低电平控制单元, 射频低电平的本地控制属于EPICS的异构系统, 无法直接与EPICS客户端进行通信。通过在射频低电平本地控制上位机程序中嵌入一个C#类型的EPICS服务器程序, 实现了使用EPICS客户端对射频低电平系统的远程控制,从而把射频低电平控制系统接入基于EPICS框架的控制系统中。直线射频低电平远程控制投入在线运行以来, 运行稳定可靠。

从几个方面着手提高确定论方法的计算精度: 首先, 中子输运计算的相空间离散采用间断有限元处理方法, 并使用较大的角度离散数和散射阶数; 其次, 使用蒙特卡罗直接统计方法得到高精度多群截面; 最后, 引入收敛于真解的中子-中子碰撞源迭代。数值算例验证表明, 经过改进的确定论方法具有良好的稳定性和精度, 能以可靠的精度求解考虑中子-中子碰撞过程的非线性问题。

以Li2CO3粉末为原料, 采用一种冷冻干燥湿法工艺, 制备出综合性能较好的Li2O陶瓷小球。通过研究冷冻成形、煅烧、分解和烧结等工艺过程, 优化了Li2O陶瓷小球的制备工艺, 并对获得的Li2O陶瓷小球进行了性能表征。结果表明: 冷冻成形制备的凝胶小球在650 ℃煅烧后可得到纯净的Li2CO3小球, 再于真空条件下多步程序升温至720 ℃可制得主要相为Li2O的小球, 小球尺寸分布均匀, 直径约为0.8 mm, 平均晶粒尺寸为9 μm, 于900 ℃高温烧结后小球的密度可达理论密度的69.5%。

研究伴随粒子成像技术(API), 就必须研制带有伴随粒子探测器的伴随粒子靶管, 因而对D-T反应及其产物中子与α粒子的关系、伴随α粒子探测器及其输出电路等关键技术进行了研究。综合考虑不同类型的D-T中子发生器, 制作了一个相对可靠、安全的D-T中子发生器。通过实验测试了多阳极光电倍增管(PSPMT)及其两种输出电路的性能, 证明了SCDC输出电路路具有比DPC输出电更小的畸变和更高的位置分辨。实验验证了第一代带伴随粒子探测器的伴随粒子靶管的设计方案的可行性, 测得伴随α粒子与中子在时间和位置上的关联, 中子角度不确定度为7°, 与理论相符。

为选择合适的激光参量与光伏电池参量, 以提高激光无线能量传输(LWPT)系统的能量转换效率, 通过实验研究了LWPT系统中能量接收单元, 也即光伏电池在半导体激光照射下的输出特性。通过波长为808 nm和915 nm的激光辐照GaAs和Si光伏电池, 研究了不同激光功率密度、光伏电池温度、电池类型以及激光入射角度对光伏电池输出特性与能量转换效率的影响。实验中, 在波长为808 nm的激光功率密度从0.06 W/cm2上升至0.37 W/cm2的过程中, Si电池的最大输出功率从0.12 W上升至0.32 W, 能量转换效率从50.9%下降至21.2%; GaAs电池的最大输出功率从0.40 W上升到1.07 W, 能量转换效率从57.9%下降至23.8%。随着激光功率密度的增加, 光伏电池的输出功率先增加而后趋于饱和, 但是高功率密度激光引起的电池温升会导致其光电转换效率的下降, 所以激光功率密度的选择与光伏电池温度的控制是提高LWPT系统能量转换效率的关键因素。