作为长距离分布式侧面泵浦技术的典型代表, 泵浦增益一体化复合功能激光光纤(Pump-gain integrated Functional Laser Fiber, PIFL-fiber)是包含单根增益光纤与多根泵浦光纤的多功能集成器件。基于倏逝波耦合效应巧妙地解决了超大泵浦功率注入的技术难题, 已成为高功率光纤激光放大技术的主流技术方案之一。

从具有不同模式特性的光纤激光研究现状出发, 指出模式是光纤激光特性的核心参数之一。通过算例给出模式与光束质量之间的关系, 引出模式分解技术是准确知晓模式组分和光束质量的关键, 介绍常见的模式分解技术。针对模式不稳定效应这一限制光纤激光功率提升的新现象, 归纳总结了不同因素对模式不稳定效应产生阈值的影响, 梳理了提高阈值的物理原理和实现方法。从高阶模抑制、特定高阶模式和结构光场输出等三个方面介绍了光纤激光模式控制的最新进展。

用直流磁控溅射法结合掩模板控制膜厚的方法在Si衬底上制备了工作于6.8~11.0 nm波段的［Mo/B4C］60横向梯度多层膜。利用X射线掠入射反射测试以及同步辐射反射率测试对梯度多层膜的结构及性能进行了测试。X射线掠入射反射测试结果表明, 多层膜周期厚度沿着长轴方向从4.39 nm逐渐增加到7.82 nm, 周期厚度平均梯度为0.054 nm/mm。对横向梯度多层膜沿长轴方向每隔5 mm进行了一次同步辐射反射率测试, 结果显示, 横向梯度多层膜在45°入射角下的反射率约为10％, 反射峰的半高全宽介于0.13 nm到0.31 nm之间。

为解决传统跟踪算法不能有效区分复杂天空云层背景边缘和红外弱小目标, 从而在跟踪过程中产生“偏移”的问题。在时空上下文原理基础上分析跟踪“偏移”的原因, 引入高斯曲率滤波, 提出一种改进的时空上下文红外弱小目标跟踪算法。该算法首先采用高斯曲率滤波对上下文区域进行预处理, 在保留上下文区域背景边缘的同时剔除高频的红外弱小目标和噪声, 从而获得准确的红外弱小目标置信图, 利用红外弱小目标置信图估计出红外弱小目标位置。采用四组复杂天空背景下的红外弱小目标图像序列进行实验, 并与经典的模板匹配算法、基于粒子滤波的均值漂移算法和快速压缩跟踪算法三种跟踪算法作比较。实验结果表明, 算法在主观视觉和客观评价指标方面均优于其他三种算法, 具有更高的目标跟踪精度与较好的实时性, 可以实现对复杂天空背景下红外弱小目标的有效跟踪。

大口径反射镜在自重作用下发生变形, 变形过大会引起镜片通光表面的峰谷值较大, 难以满足光机装置打靶精度的要求。建立了典型反射镜结构的有限元仿真模型, 以计算镜片表面峰谷值; 优化了安装柱的位置、尺寸及镜片厚度等参数, 使镜片通光表面形变峰谷值最小。分别采用了基于有限元模型的直接优化和基于代理模型的优化, 均获得了结构最优参数, 使形变峰谷值比初始值降低了74%。相比而言, 基于代理模型的优化还可提供目标量随设计变量的变化情况以及变量灵敏度分析, 更有利于设计决策。当设计变量个数多、范围宽时, 可先根据先验知识或低精度代理模型缩小设计范围, 然后建立紧缩范围的高精度代理模型并进行优化, 可有效避免大量计算。根据“三圆柱”支撑结构的参数优化结果, 建议采用“四圆柱”支撑设计, 以获得更高的面形精度。

围绕着稠密等离子体硬X射线成像诊断, 提出了一种基于阿贝正弦条件的Wolter型X射线显微镜的光学系统设计。详细介绍了Wolter显微镜的结构特点和设计方法, 进行了参数优化, 定量分析了包括物距、放大倍数、掠入射角和双曲面镜镜长在内的初始结构参数对物镜性能的影响。由光线追迹可以得出, 在约±260 μm的视场范围内分辨率优于1 μm; 在±460 μm范围内优于3 μm。有效视场可达约1 mm, 几何集光立体角约为6.1×10-5sr。同时, 该系统具备平响应系统特性, 在mm级的视场范围内, 系统响应效率的一致性优于93.7%。

大口径非球面光学元件的面形中频误差对光路中的光斑扩散函数精度以及高能激光的能量散射有着直接的影响, 针对该问题, 提出一种计算机控制的多磨头组合抛光技术, 用于对非球面元件中频误差的有效控制。对半刚性抛光盘抛光过程进行了力学有限元分析, 并基于Bridging模型对半刚性抛光盘抛光过程进行了理论模拟, 对其贴合特性进行了研究分析。实验结果表明: 采用多磨头组合抛光的技术能够有效改善大尺寸非球面元件的面形中频误差, 加工的两件460 mm离轴抛物面元件面形PSD1值相对于之前降低了近70%, 达到2.835 nm, 并且PV小于0.16λ(632.8 nm), RMS小于0.02λ。

利用物理光学方法分析天线的远区辐射场具有计算速度快和内存需求少的特点, 目前已被广泛应用于反射面天线的远区辐射场计算中。推导了利用斯特拉顿-朱兰成远场积分方程计算天线远区电场的表达式, 计算了某一偏馈反射面天线的方向性, 与文献中已有结果比较表明, 方向图结果是正确的。馈源的方向图模型设置为余弦函数的q次方, 利用增益公式近似推导了天线的增益, 将这一计算方法应用于赋形反射面天线的远场分析中, 通过对比反射面天线赋形前后波束扫描过程中不同扫描角度处的方向图, 验证了赋形设计对于提高天线增益平坦度的有效性。

基于物理模型法研究PIN限幅器二极管的微波脉冲热效应, 研究了间隔1~20 ns的两个微波脉冲构成的组合脉冲与单个长脉冲对于器件峰值温度的影响。仿真结果表明: 带有间隔的组合脉冲相对于长脉冲温升更明显, 不同型号二极管的最佳时间间隔不同, 与I层厚度成正相关的作用。分析了脉冲间隔的热效应机理, 是载流子恢复引起下一个脉冲的尖峰泄漏加速升温, 以及P区温度升高使得本征载流子浓度增加引起电热正反馈共同作用的结果。

对比分析了几种可输出圆波导TE01模激励器的仿真设计结果。结果表明, 利用行波功分结构实现矩形波导TE10模到4路矩形波导TE10模的等幅同相功分, 进而合成转换成圆波导TE01模的转换过程, 可在较宽的频带范围内, 实现圆波导TE01模的高效激励。以中心频率9.40 GHz仿真设计的圆波导TE01模激励器, 在中心频率上的传输效率超过99.9%; 在9.08~9.61 GHz的频率范围内, 传输效率大于99%。实验测量结果表明, 所加工激励器在较宽的频带范围内, 传输损耗优于-0.2 dB, 与仿真结果的差异主要来自于波导壁面的欧姆损耗和波同转换结构; 器件工作频带内平坦特性良好, 有利于开展测量工作。

为解决传统分支线定向耦合器带宽较窄, 且应用到线性化器等微波元件中时受谐波信号影响较大的问题, 提出了一个宽带且带有谐波抑制功能的定向耦合器。该定向耦合器在双支节定向耦合器的基础上增加一个支节, 可有效地提高定向耦合器的带宽, 同时将其传输线支节替换为低通滤波结构, 以实现对高次谐波抑制的作用。仿真结果表明, 该定向耦合器的反射系数和隔离度均小于-15 dB, 传输损耗小于3.8 dB, 波动范围0.5 dB, 相位差为90°且与双支节耦合器相比增加1 GHz带宽。满足耦合器的设计指标, 可应用到微波元件中, 提高微波元件的性能。

提出了一种新型二次电子倍增阴极强流二极管, 并对其进行了动力学理论简化模型和蒙特卡罗数值模拟的对比验证研究。首先, 基于设计结构原型, 根据二次电子发射特性进行合理简化, 建立了动力学模型, 获得了电子速度、位移以及渡越时间的解析结果, 并结合Vaughan的二次电子产额模型, 确定了该新型二次电子倍增阴极强流二极管的理论工作区间; 其次, 理论分析了施加径向电场的重要意义, 并给出了二次电子运动特征参数(最大位移、渡越时间、碰撞能量等)的理论预估结果; 最后, 对该新型二次电子倍增阴极强流二极管进行了蒙特卡罗模拟研究, 获得了电子的运动轨迹、碰撞能量以及二次电子倍增工作区间等物理图像, 并将蒙特卡罗数值模拟结果与理论结果进行了比对, 两者吻合程度较好, 对可能的误差来源进行了分析讨论。理论和模拟结果表明: 新型二次电子倍增阴极强流二极管概念可行, 工作区间内通过调整施加电场与磁场幅值, 可有效达到电子运动状态可控的目标。另外, 理论粗估了二次电子倍增饱和条件下的阴极发射电流密度, 结果表明: 发射电流密度可达kA/cm2水平, 具备强流发射特性; 增加外加径向场强幅值可有效提升发射电流密度。最后, 对该新型二次电子倍增阴极设计步骤和依据进行了讨论。

在微波测量领域, 功率计、示波器、检波器和矢量网络分析仪都是常用测量器件, 其使用过程中引入的误差对实验结果的准确性有直接的影响。在描述了功率计、示波器、检波器和矢量网络分析仪在微波功率测量领域的使用方法的基础上, 分析对比了一些典型型号的测量器件在不同测量条件下引入的测量误差。实验结果表明: 检波器测得的功率比示波器测得的功率最大大0.4 dB。示波器的不同带宽抑制对功率测量最大相差0.3 dB。N9917矢量网络分析仪比AV3672矢量网络分析仪在频率4 GHz, 衰减器衰减幅值为60 dB时测得的功率大1 dB。

为了探索相对论速调管放大器(RKA)的小型化技术, 开展了同轴RKA周期永磁聚焦的物理与设计技术研究。周期永磁聚焦系统采用Halbach阵列结构, 产生的磁场类型为周期性会切磁场。首先给出该系统的磁场各个分量的表达式, 分析该系统磁场分布的特点, 并推导得出该系统聚焦强流环形电子束的稳定条件。根据该稳定条件, 对Ka波段同轴RKA设计了一个周期永磁聚焦系统, 并优化了周期磁场参数, 确定了磁场系统设计的最佳周期和幅值。研究结果显示, 周期永磁(PPM)聚焦系统在周期长度18 mm和磁场幅值033 T的条件下可引导500 kV、6 kA的同轴RKA, 得到1 GW的微波输出功率, 物理分析确定了周期永磁聚焦系统应用于高功率同轴RKA的技术可能性。

为获取某型高功率微波辐射系统辐射至空中靶目标处(数十m至数百km处)的微波脉冲参数, 基于某升空平台无线数传链路, 设计了一种结构简单、紧凑的远程无线高功率微波辐射场测量数据采集系统。该系统具备运行状态动态指示、测量参数远程设置以及波形数据实时显示等功能, 质量小于2 kg, 瞬时动态范围大于15 dB。试验结果表明: 测量系统具备高重频微波脉冲参数测量能力, 能实时有效捕获辐射场微波波形, 运行稳定可靠, 可满足百km级距离上的空中辐射场测量需求。

基于AC-Link技术的充电电源具有高效率、高功率密度等优点, 可作为高功率微波系统的初级能源。针对三相AC/AC能量变换的需求, 仿真研究了一种基于AC-Link并联谐振技术的三相AC/AC变换器。给出了并联谐振AC-link三相AC/AC变换器的拓扑结构; 分析了控制原理; 阐述了16模式的具体控制过程和软开关切换的实现方法; 明确了开关切换时间的计算方法; 搭建15 kW仿真平台分析了不同负载要求下的能量变换过程。结果表明:该变换器可以实现固定输出的能量变换, 并且输出电压、频率可调; 输入/输出电流波形均为正弦, 输入功率因数为1; 控制方法正确有效, 实现了软开关切换。

为改进微放电试验的有效性, 针对微放电试验中种子电子的加载方法进行了研究, 介绍了辐射源、紫外光源、电子枪三种加载方法, 并说明和比较了上述方法的优缺点和适用范围。接着重点介绍了两种辐射源加载种子电子的方法: β衰变和γ跃迁, 并对两种方法加载种子电子的特性进行了定量分析。所得结果表明, 基于β衰变的90Sr及同时进行β衰变和γ跃迁的137Cs均可产生能够穿透毫米量级铝质微波部件壁厚的不同数量的种子电子, 适合用于微放电试验中的种子电子加载。

为了满足可工作于太赫兹频段以及较好的方向性和高增益的需求, 在等离子体天线的基础上提出了新型等离子体-金属混合八木天线, 在其中将反射振子替换为夹直角反射板。根据等离子体天线及八木天线设计理论, 设计了该天线的结构并初步确定了其结构参数。通过电磁仿真研究了不同天线-顶点间距情况下天线的回波损耗、增益、电压驻波比和辐射方向图, 最终实现了结构参数优化。与不带反射板的天线的对比结果表明, 该结构具有更高的增益与更优的前后比。

基于极化分解理论, 分析了金属空间桁架电磁窗的桁杆散射场。针对桁杆截面选型, 对比了圆截面桁杆与矩形截面桁杆的抗弯刚度与电磁散射特性。综合两种截面形状的优缺点, 按照力电性能一体化设计要求, 提出了将二者结合的圆角矩形截面优化设计方案, 并对其辐照效应进行了计算仿真分析。结果表明: 矩形桁杆由于棱边的电荷积聚效应, 相较于圆柱形杆散射场副瓣电平较高, 电磁性能较差, 但抗弯能力更强, 具有更好的保护性; 圆角矩形的散射电平值小于矩形杆, 同时具有超过圆柱形杆的力学特性, 是提高电磁窗力电性能的可行方案。

针对复杂电磁环境下雷达电子战仿真发展需求, 提出雷达电子战组合仿真方法。阐述了组合仿真基本理论, 分析了构件化组合仿真开发模式, 从仿真构件开发、测试、管理与组装等几个方面研究了实现技术。设计实现了雷达电子战构件化组合仿真的开发支撑工具, 可用于降低组合仿真的开发难度, 提高组合仿真的自动化程度。

透射质子的能损和散射角是质子照相成像模糊的主要来源。基于Zumbro聚焦成像磁透镜的质子照相技术, 可基本消除散射角引起的成像模糊, 实现几十μm的空间分辨, 但无法对能损信息进行优化是其空间分辨能力难以进一步提升的主要原因。为利用透射质子的能损信息, 进一步提高质子照相的空间分辨能力, 提出了一种新型的成像磁透镜, 称之为能损型聚焦成像磁透镜。基于11 MeV低能能损型质子照相的实验束线和Geant4模拟软件, 建立全过程照相模型, 研究11 MeV能损型成像束线的空间分辨能力。模拟研究表明: 对于10 μm厚的Al箔, 考虑点扩散函数等测量系统成像模糊的影响, 11 MeV能损型成像束线可实现约30 μm的空间分辨。与等大型Zumbro磁透镜相比, 空间分辨能力得到显著提升。

基于粒子云网格计算方法, 对质子束轰击靶面产生二次电子的效应进行了模拟研究, 得到了不同电场强度对质子束的品质以及其产生的二次电子的数量的影响。研究表明, 50 kV电压下, 质子束束腰宽度1.8 mm, 并有近10%的质子束打在阴极侧壁上; 150 kV电压下, 质子束束腰宽度1.2 mm。这说明, 抽取电场强度小时质子束分散, 其束流品质下降; 抽取电场强度大时质子束紧凑。通过调控抽取、加速电压, 可以有效地控制到靶质子流的聚散状况, 以及由此产生的二次电子的强度及分布。

针对体声波(BAW)滤波器声-电磁协同仿真结果中滤波器的左传输零点向左偏移的现象, 验证仿真中共地电感效应的存在并分析其对滤波器性能的影响。通过分别改变BAW滤波器原始布局中的并联薄膜体声波谐振器(FBAR) P1和P4引线到地的位置, 即将并联FBAR P1和P4引线到地的路径分别变短后进行声-电磁协同仿真。结果对比表明: 声-电磁协同仿真中并联FBAR引线到地与输入、输出端口之间存在共地电感效应。将并联FBAR引线到地的路径变短, 滤波器在声-电磁协同仿真中形成的共地电感效应减小, 带外抑制性能变好。共地电感效应对于并联FBAR谐振区面积越小的支路影响越大。故在BAW滤波器声-电磁协同仿真中需考虑共地电感效应对滤波器左传输零点和左带外抑制性能的影响。

半导体断路开关的输出电压中的预脉冲现象, 严重影响了整个系统的输出脉冲前沿陡度和重复频率。针对半导体断路开关在反向截断过程中预脉冲产生的过程和机理进行了研究。利用Silvaco Atlas仿真软件对半导体断路开关正反向泵浦过程中载流子的迁移和电场的变化过程进行了详细考察, 发现预脉冲的产生是由双边截断过程中N-N+结截断所引起的脉冲前沿变缓现象, 其长短主要取决于P型轻掺杂区内的少子电子的迁移率, 而脉冲前沿的陡度则取决于双边截断过程中的PN结截断过程。同时, 对具有不同基区长度的器件, 对其在不同泵浦电流密度下的情况进行了模拟和对比, 发现器件基区越窄, 脉冲前沿越陡, 而预脉冲基本相等; 低电流密度条件下只发生N-N+结单边截断, 大电流密度条件下则发生双边截断, 而双边截断的延迟更长, 但脉冲前沿拐点更陡, 截断更快。

为了研究物质弹塑性对磁驱动实验运动过程、不稳定性发展等的影响, 在MDSC2程序的基础上, 增加了弹塑性模块, 研制了包括弹塑性的磁流体力学程序, 并进行了弹塑性项影响的数值模拟和分析。数值模拟表明: 没有初始扰动时, 弹塑性项几乎不影响套筒内外半径的运动轨迹; 有初始扰动时, 弹塑性项对磁驱动固体套筒的Rayleigh-Tayor不稳定性有明显的抑制作用。

基于高功率重复频率脉冲功率源的需求, 开展了高功率脉冲充电电源的重复频率特性研究, 分析了基于全桥串联谐振充电原理的恒流充电技术。根据高功率Marx型脉冲功率源的工作要求, 计算了串联谐振充电的各个关键参数。研制的紧凑型高功率脉冲充电电源, 最大输出电压±50 kV, 充电电流2.5 A, 重复频率1~50 Hz连续可调, 可在重复频率条件下长时间稳定运行。该充电电源体积小、质量轻、抗干扰能力和抗负载短路能力强, 已经应用于高功率重复频率脉冲功率源技术研究, 实现了10万次重复频率无故障运行。

由于空间狭小且不能通视, 分离扇回旋加速器的检修与准直复位一直困扰着机械准直人员。加上时间紧张, 如何快速准确找到故障原因和准确复位是保证加速器正常运行所必须思考的问题。分析了磁通道的工作原理和传动机制, 建立了有效的传动监测模型, 标定并改善了电机的传动性能。基于多重坐标系转换总结出一种快速安装的方法, 快速复位精度满足物理要求, 保证束流的顺利引出。该方法精度满足实验要求(不超过0.2 mm), 具有可继承性, 能够为相关加速器类似元器件的检修与准直工作提供依据。

基于SGS探测系统中放射性核废物桶、准直器及HPGe探测器的空间几何分布建立数学模型。对低、中放射性核废物桶中点源137Cs的探测效率响应函数进行了数值公式推导, 然后利用蒙特卡罗工具包MCNP模拟计算了相应的效率函数。将这两种方法模拟的结果进行了对比分析发现: 数值计算方法的数据普遍高于MCNP模拟的数据, 最大相对误差达143.26%, 误差平均值为37.15%。对数值计算方法进行修正后, 最大值相对误差为17.22%, 平均值为4.54%。在误差范围内, 可以认为该修正方法有效。

为合理选择堆振荡器法实验条件, 利用数值求解和公式推导, 对影响测量精度的几项主要因素进行了分析。研究表明, 通过选择合适的反应性振荡幅度及频率, 可以提高堆振荡器法测量反应性的精度。由分析结果可知, 对于中子代时间较短的反应堆, 要使用堆振荡器法测量小反应性, 在测量条件允许的情况下, 应尽可能选择高频率的反应性振荡。

为了描述纳秒激光对钛合金打孔过程中孔的形貌及温度场的变化规律, 建立激光打孔的物理模型, 利用ANSYS中APDL语言进行编程, 对温度场进行仿真分析, 并利用单元生死技术模拟孔形貌的变化过程。从有限元数值模拟和实验两方面综合分析比较了激光工艺参数(脉冲能量和脉冲数量)对打孔质量(孔深和孔径)的影响, 系统论述了钛合金纳秒激光打孔的一般规律, 以达到工艺参数优化, 提高打孔质量的目的。

为深入分析层流状态下对称槽道内涡波流场的流动特性及其变化规律, 对流场进行了二维粒子图像测速(2DPIV)测量获取瞬态速度矢量数据, 利用本征正交分解(POD)技术进行模态分解以及涡波流场的重构, 然后根据重构的流场对对称槽道内涡波流场进行了平均速度剖面、流场脉动强度以及特征点的速度和频谱分布等方面的分析。结果表明: POD的前15阶模态能够表征涡波流场的主导结构, 第1, 3阶模态主要表现为一对旋向相反的涡对特征, 第2阶模态具有涡旋和波状主流的特征; 提取了5个涡旋涡核的位置作为流场流动特性的特征点; 根据POD重构流场分析发现流向平均速度呈抛物线形状分布, 法向平均速度呈对称分布特征; 流向脉动强度受壁面的影响较大, 法向脉动强度呈现抛物线形状分布; 距离中心主流较近的1#, 4#, 5#特征点的速度脉动程度受主流的脉动强度影响较大, 速度的脉动主频0.15 Hz与次频、流场的自然频率0.35 Hz共同影响特征点的速度分布; 2#, 3#特征点的流向速度呈衰减趋势, 法向速度在初期幅度变化较大。