强激光与粒子束杂志

强激光与粒子束杂志2019年第8期

• 基于宽频带温度脉动仪的大气温度起伏谱测量

  任鹏飞, 崔朝龙, 刘庆, 黄宏华,

  常用温度脉动仪测量湍流的频谱, 频谱范围多在20Hz以下, 无法呈现大气温度起伏的高频特征。介绍一种宽频带低噪声温度脉动仪的设计方法, 研制出相应的仪器, 并进行了真实大气温度起伏测量实验。结果表明, 大气温度起伏具有丰富的高频信息, 温度起伏功率谱在更宽的频率范围内存在幂率不变性, 部分温度谱在高频部分出现拐点, 以更陡的幂率下降, 湍流谱的形状以及拐点出现的位置和湍流强度有一定的关系。拓宽了温度起伏功率谱的研究范围, 为光波传输的理论研究和技术应用提供了高频湍流谱信息, 为非Kolmogorov湍流研究提供了测量手段。

• Thorpe尺度估算库尔勒、茂名、拉萨大气光学湍流廓线

  胡晓丹, 苏昶东, 罗涛, 青春, 孙刚, 刘庆, 李学彬, 朱文越, 吴晓庆,

  在新疆库尔勒、广东茂名海边、西藏拉萨三个地区释放的探空气球, 实现了温度、气压、风速等常规气象参数以及大气折射率结构常数的廓线测量。基于Tatarski湍流参数化方案以及以上地区探空数据, 利用Thorpe尺度估算了新疆库尔勒、广东茂名海边、西藏拉萨三个地区的高空大气光学湍流廓线, 并将这三个地区实测的廓线与其对应的估算结果做了对比, 结果表明: 估算值与实测值在量级和变化趋势上表现出较好的一致性, 相关性分别为69%, 60%, 68%;Thorpe尺度相较于其他估算湍流廓线的参数化方法输入参数少、更简便。

• 多波长辐照下熔石英光学元件的损伤及损伤增长

  邱荣, 蒋勇, 郭德成, 叶成, 史晋芳, 周强, 韩伟, 黄进,

  对比研究了基频、二倍频和三倍频激光单独和同时辐照下熔石英光学元件的初始损伤和损伤增长规律, 重点研究了基频和二倍频的加入对三倍频诱导初始损伤和损伤增长的影响, 分析了基频和二倍频相对于三倍频的折算因子。研究结果表明: 当基频和二倍频能量密度较低时, 它们对三倍频损伤几率曲线的影响可以忽略, 但会引起损伤程度的增加; 在多波长同时辐照的损伤增长中, 损伤增长阈值主要取决于三倍频的能量密度, 而损伤增长系数与总的能量密度有关; 折算因子可以同时反映初始损伤和损伤增长的波长效应和波长间的能量耦合效应。

• 螺旋分布孔高阶旋转模式激励器的设计

  于新华, 叶顺涛, 付文杰, 牛新建,

  针对Danilov (2007) 提出的高阶模式激励器纯度未知和设计思路模糊的不足, 介绍了一种改进型螺旋分布孔高阶旋转模式激励器, 以实现同轴TE1, 1模式到圆波导TE5, 3模式的高纯度转换。根据不均匀弦方程, 编制了数值计算程序对同轴腔体结构参数进行了优化计算, 使工作模式能够有效谐振。基于小孔衍射理论以及PEC表面的电场边界条件, 详细研究了螺旋分布孔的排列方式和模式抑制器的工作原理。数值计算和仿真结果表明: 在中心频率30GHz附近, TE5, 3模式激励器的模式纯度高达97.4%, 转换效率为96.1%。设计的高阶模式激励器相对于Danilov的结构具有纯度高和紧凑的性能。

• TEM喇叭天线低频辐射分析与天线设计

  王丽黎, 侯荣璞, 原艳宁,

  在超宽带TEM喇叭天线的设计中, 如何改善天线的低频性能是目前研究的关键问题。通过分析天线的阻抗渐变特性与时域辐射特性, 设计了一种新型TEM喇叭天线, 解决了天线末端反射的问题, 提高了天线低频性能。与传统的TEM喇叭天线相比, 新型TEM喇叭天线在全频段减小了方向图后瓣, 提高了低频时天线辐射主轴增益, 拓展了低频带宽。验证实验表明, 该天线带宽为160 MHz~2.5GHz, 180 MHz主轴增益2.3dB, 全频段方向图后瓣小于-2dB, 尺寸为48.5cm×38.1cm×35cm, 同时兼顾了天线的小型化与低频带宽。

• 一种220 GHz分布作用速调管的高频系统模拟

  王自成, 曲兆伟, 尚新文, 曹林林, 唐伯俊, 肖刘,

  对一种基于双排矩形波导慢波结构(SDRWS) 结构的3腔EIK进行了详细计算机模拟计算, 通过对基于SDRWS结构的EIK用输入输出腔的S11的模拟计算及对分布作用速调管用中间腔的本征频率的模拟计算, 初步确定了EIK用输入输出腔及中间腔的结构参数, 进而对EIK进行了PIC互作用模拟计算, 结果表明: 该EIK的3dB工作频带为219.5~220.5GHz, 3dB带宽为1GHz, 最大功率为456 W, 最大增益为40.06dB。在此基础上, 通过调整中间腔的波导头宽度以进行参差调谐, 用PIC互作用模型模拟计算研究了中间腔谐振频率对EIK整体性能的影响。结果表明, EIK的3dB工作频带主要由输入输出腔的通频带决定, 而中间腔的谐振频率也具有重要影响。当中间腔的谐振频率分别处于输入输出腔的通频带的低频端或高频端时, 可以使EIK的3dB工作频带向低频端或高频端得到一定程度展宽; 当中间腔的谐振频率高于输入输出腔的通频带的高频端时, EIK的增益在其3dB工作频带内较为平坦, EIK的输出信号在其3dB工作频带内比较稳定, 频谱的纯净程度较好。参差调谐的最终结果表明, 当中间腔的波导头宽度为0.747mm时, EIK获得了接近最优的性能, 3dB工作频带为219.5~220.0GHz, 3dB带宽扩展到1.2GHz, 最大功率为630W, 相应的最大电子效率为11.3%, 最大增益为47dB。

• 太赫兹金属器件电铸工艺中电流密度研究

  赵欣悦, 姬生伟, 卢怡如, 刘玉宝, 黄波, 王小康,

  微电铸工艺是太赫兹全金属光栅器件成型的关键工序。金属光栅质量取决于电铸工艺中金属离子沉积的均匀性, 而电铸槽阴极附近电流密度的分布直接影响金属离子沉积的均匀性。在阳极与阴极间添加开孔的绝缘玻璃挡板可以改善阴极电流密度分布的均匀性, 研究了挡板与阴极的距离以及挡板开孔大小对阴极电流密度分布的影响, 仿真结果表明: 添加开孔绝缘挡板有助于改善阴极处的电流密度分布; 当添加的玻璃挡板开孔大小与阴极尺寸一致时, 挡板距离阴极越近, 阴极的电流密度分布越均匀。根据仿真结果设计了相应的挡板, 电铸工艺获得了较好质量的均匀金属层, 从而验证了上述仿真分析的有效性。

• 基于机器学习的开孔加载金属腔电磁屏蔽效能评估

  刘筝阳, 闫丽萍, 赵翔,

  利用全波分析方法计算了不同电路板加载、不同孔缝和尺寸的开孔金属腔在0!5GHz范围内的屏蔽效能(SE), 获得共计5250个样本。进而利用机器学习中的随机森林回归算法, 对其中4200个样本数据进行训练, 获得了可以根据开孔腔物理尺寸、加载物材料及电磁特性和位置、频率等共计16个输入参数快速评估开孔加载金属腔屏蔽效能的机器学习模型。利用其余的1050个样本进行模型验证, 结果表明该模型可以快速准确地计算加载腔的电磁屏蔽效能。该模型具有随时根据样本量增加不断训练提高其普适性的特点, 可为实际工程中加载开孔腔的屏蔽设计及SE评估提供高效途径。

• 一种计算多导体传输线电磁脉冲响应的时域方法

  公延飞, 郝建红, 蒋璐行,

  基于波形松弛技术, 提出一种计算外界电磁脉冲激励下理想大地上无损多导体传输线瞬态响应的时域迭代方法。首先利用波形松弛技术对复频域内多导体传输线的电报方程进行解耦, 其中相邻导线的耦合作用等效为线上的分布源, 从而使电报方程转换为一系列关于独立导线的解耦方程组; 然后将复频域内传输线的解耦方程转换到时域, 根据时域方程建立相应的等效电路; 最后利用电路仿真软件PSCAD计算电磁脉冲激励下多导体传输线的瞬态响应。本文时域方法的计算结果与时域有限差分(FDTD) 法计算的结果进行对比, 证实了该时域方法的有效性和准确性, 这为工程和科研人员快速评估、分析电磁脉冲激励下多导体传输线的瞬态响应问题提供了一种可靠方法。

• 基于交指滤波器的高隔离度宽带双工器设计

  高杨, 文数文, 袁靖, 许夏茜,

  针对用于无线通信系统中的高隔离度宽带双工器, 首先将双工器指标拆分为留有一定余量的Tx, Rx滤波器指标, 然后使用微带交指结构和基于耦合系数与外部品质因数的改进方法, 设计出满足指标的宽带Tx, Rx滤波器, 最后使用两种T型结和滤波器组合的结构对双工器进一步设计, 并对这两种结构的微带双工器进行了仿真分析。仿真结果显示, 并行连接的双工器结构紧凑, 但隔离度较差; 串行连接的双工器通带内最小回波损耗为14.16dB, 最大插入损耗为1.01dB, 通带间最小隔离度为53.46dB, 双工器尺寸为8.089 9mm×2.059 1mm×0.302mm, 完全满足指标要求, 并且具有相对带宽大、隔离度高、插入损耗低的优点, 为设计高性能双工器提供了可行性。

• 纳米MOSFET毫米波噪声的简洁模型

  刘人豪, 王军,

  为了使复杂的纳米MOSFET毫米波噪声物理模型可用于工程设计，研究了其简洁模型的表达形式。通过器件的双端口相关噪声矩阵变换和分析，实现了复杂的噪声物理模型的简化。所提出的简洁模型不仅高精度地表征了器件的非准静态效应，并且可通过Verilog-A语言以四结点的形式，直接嵌入到ADS仿真设计工具，从而在保证精度的同时，大大降低了设计的复杂度。实验结果验证了所建模型在强反型区和弱反型区均比现有的三结点模型具有更高的准确性。

• 级联型高压重复频率微秒脉冲源的研制

  李志军, 张雅雯, 高迎慧, 韩静,

  针对等离子体的应用，基于级联型电压叠加技术研制了一种最高输出电压为20 kV的高压微秒脉冲源，该电源由40个相同的电源模块组成，其单个模块电压等级为500 V，降低了对器件的绝缘耐压要求。电源的输出电压值在0~20 kV之间可调；重复频率在0~10 kHz之间、脉宽在0~30 μs之间可调；该电源的上升沿和下降沿均在1 μs以内。模块化的设计提高了电源的冗余容错能力。将该电源作为产生等离子体的激励源时，其输出的高压脉冲波形稳定，且根据负载对输出高压波形的要求不同，该电源可以方便地进行调节。

• 基于模态匹配法的接触刚度

  王梓豪, 李春华, 王之琢, 王海静, 屈化民,

  提出一种间接测量平面接触刚度的方法，准确量化粗糙表面的接触刚度，使得整个支架系统的固有频率模拟与测试结果得到良好的匹配。基于接触刚度模型、ANSYS有限元模拟方法以及模态测试方法，以地脚螺栓固定方式的测试件为例，验证了间接测量方法的准确性，使接触刚度得到准确量化。该方法可以为提高加速器磁铁支架系统的整体刚度提供依据。

• BEPCⅡ电子环寄生模损失测量

  王洪磊, 王牧源, 杨际森, 沙鹏, 林海英, 马强, 王群要, 米正辉, 戴建枰, 孙毅, 王光伟, 潘卫民,

  BEPCII在设计阶段从束流不稳定性和寄生模损失角度对阻抗提出了限制，但在BEPCII运行中寄生模损失是影响高流强稳定运行的因素之一。针对BEPCII电子环的寄生模损失进行了测量，主要是基于同步相移随流强的微小变化、束流功率测量和高阶模吸收器的功率。测量结果表明：两种方法对比测量全环寄生模损失，结果重复可信，且全环寄生模损失是超导腔寄生模损失的4~5倍。

• 基于嵌入式EPICS的合肥光源储存环束流损失监测系统

  蔡袁琦, 唐雷雷, 周泽然,

  针对合肥光源储存环恒流运行(Top-off)改造等性能提升的需要，研制了新型的基于嵌入式EPICS架构的储存环束流损失监测(BLM)系统，用于监测储存环中束流损失发生的位置和大小。新BLM处理器获取储存环各处双PIN型光电二极管传感器所采集的簇射电子的信号，分析处理后通过各个处理器内部的嵌入式系统所运行的EPICS程序将数据实时发布到加速器控制网络，使中控室能够实时获取束损的数据。新BLM系统能够实时对双PIN型传感器进行自检操作，排查故障隐患，提高了系统运行的效率和可靠性，经过试运行表明，新BLM系统可完全满足合肥光源恒流的运行需要。

• 基于对数检波器的峰值功率计研制

  王湘鉴, 赵风利, 贺祥, 张敬如, 董东,

  针对北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCII)直线加速器的实际情况和具体需求，为了提高峰值功率计测量精度、进一步降低反射保护报警响应时间并提供实时波形检测手段，对基于集成电路的射频检波芯片进行了调研，研制了一种基于对数检波器、现场可编程门阵列(FPGA)、高速模数转换器(ADC)的新型峰值功率计。通过对不同工作频率下的多点校准，建立分段传递函数，实现功率计校准工作。对功率计样机进行了系统测试，实现了实验室功率测量误差±0.2 dB，BEPCII在线测试的反射保护响应时间2 μs的成绩，功率计已稳定上线运行一段时间。此外，新型峰值功率计具有宽线性动态范围、反射保护报警、内置双通道检波器、用户和工程师双界面、实时波形显示、波形任一点功率测量等特点。

• BEPCⅡ超导腔失效分析

  肖麟阁, 戴建枰, 王群要, 林海英, 马强, 米正辉, 孙毅, 王洪磊,

  以北京正负电子对撞机(BEPCII)超导腔为例，通过监测运行中超导腔的主要参数，如腔压、输入功率、调谐角等，并与理论计算相比较的方法，对超导腔失效常见的几种原因，包括：高频系统硬件故障、束流丢失以及调谐器机械运动不畅等，进行了分析，重点解决了调谐器机械运动不畅导致超导腔失效这一比较复杂的问题。这些分析为减少BEPCII高频故障，增加BEPCII运行可靠性提供了重要参考。

• 离子源注入型IH加速腔冷测与调谐

  赵良超, 何小中, 庞健, 马超凡, 石金水,

  离子源注入型IH加速器有望发展成为一种紧凑型低功耗离子加速器，为有效验证该加速结构的束流俘获效率，中国工程物理研究院流体物理研究所设计了一套将质子束从0.04 MeV加速到2.0 MeV的IH加速腔。目前已经完成了该腔的腔体加工，开展了高频参数冷测及腔体调谐研究。通过漂移管调谐和电感调谐，减小了腔体的频率误差和加速电压分布误差。模拟计算实测电场下腔体的束流俘获效率，由调谐前的16%提高到调谐后的34%。冷测调谐结果表明，该加速腔的各项参数达到设计值，具备进行功率测试和束流测试的条件。

• 泄能支路对CFETR失超保护系统影响分析

  仝玮, 宋执权, 傅鹏, 李华, 张秀青, 汪舒生,

  中国聚变工程实验堆(CFETR)是中国自主设计的下一代聚变装置，其超导线圈的电流最大达到100 kA。失超保护系统尤其是直流保护开关的可靠性对于超导线圈的保护极为重要。分析了系统中泄能回路参数对CFETR失超保护开关的动作可靠性影响，首先通过理论计算分析杂散参数对开关动作的影响趋势，然后通过仿真求解关断过程中各支路电流电压来验证计算。计算结果证明，较大的泄能支路杂散参数将改变直流开关的关断参数，并降低直流保护开关的动作可靠性。最后对泄能电阻杂散电感提出小于120 μH的设计要求，确保系统安全可靠地运行。

• 4H-SiC探测器的γ辐照影响研究

  李正, 吴健, 白忠雄, 吴锟霖, 范义奎, 蒋勇, 尹延朋, 谢奇林, 雷家荣,

  为研究4H-SiC探测器的抗γ辐照性能，使用40万Ci级的60Co源对4H-SiC探测器进行了数次辐照，累积辐照剂量最大为1 MGy(Si)，并在辐照后对4H-SiC的性能进行了测试。随着累积辐照剂量增加，4H-SiC探测器的正向电流增大，而反向电流恰好相反；根据4H-SiC探测器的正向I-V曲线可提取理想因子和肖特基势垒，理想因子从1.87增加到2.18，肖特基势垒从1.93 V减小至1.69 V；4H-SiC探测器对241Am源产生的α粒子进行探测时，探测器的电荷收集率从95.65%退化到93.55%，测得能谱的能量分辨率由1.81%退化到2.32%。4H-SiC探测器在受到1 MGy(Si)的γ辐照后，与未受到辐照时相比，在探测能量为5.486 MeV的α粒子时能量分辨率和电荷收集率仅退化了28.18%和2.2%，仍具备优良的探测性能。