强激光与粒子束杂志

强激光与粒子束杂志2020年第6期

• 大动态高精度有界波电磁脉冲模拟器设计

  周开明, 李铮迪, 邓建红,

  介绍了一种精细化、连续可调的中型有界波电磁脉冲模拟器，该模拟器配置了前沿快、结构紧凑、脉冲电压调节范围宽、自动化程度高的新型高压脉冲源，实现了全系统的计算机光纤控制，解决了控制系统抗干扰问题，提升了源的模拟能力和设备的应用范围。模拟器的具体指标为：脉冲前沿约2.5 ns，半高宽约23 ns，工作空间4 m×4 m×5.8 m，输出电场强度在0.2～60 kV/m范围内连续可调。

• 湍流大气传输中跟踪抖动对远场影响的仿真研究

  杨欣欣, 王继红, 任戈,

  分析了跟踪抖动对湍流大气传输远场光斑的影响。基于麦克斯韦电磁场理论，采用大气相干长度对大气湍流进行描述，推导了发射光束因跟踪抖动导致光轴偏离的远场表达式。在此基础上，利用相位屏法模拟抖动引起的倾斜相位和大气折射率起伏引起的相位调制，并采用低频补偿的功率谱反演法对传输过程进行了数值仿真。分析了不同跟踪抖动、湍流强度条件下远场光斑质心脱靶量的变化，以及不同尺寸模拟目标的回波概率。分析结果表明，在传输距离为10 km时，强湍流造成的远场光斑脱靶量可达几十μrad；当跟踪抖动较大时，湍流强弱对脱靶量影响差别很小。最后，对一定尺寸的模拟目标，从探测回波概率的角度给出了发射系统跟踪抖动量的控制范围。

• 晶体面形畸变对三倍频转换效率的影响

  郭怀文, 周维, 叶朗, 独伟峰, 谭宁, 邓学伟, 黄小霞, 赵博望, 钟伟, 王芳,

  在惯性约束聚变（ICF）领域，为了满足物理实验需求，需要采用短波长的紫外激光打靶。目前，国内外高功率固体激光装置普遍采用谐波转换的方式来获得三倍频紫外激光。高效的频率转换必须满足相位匹配条件，而晶体的反射面形畸变过大对准直精度和倍频效率均匀性都会产生不利影响。通过实验验证了晶体准直光斑的质量退化主要来源于晶体因夹持和重力导致的反射面形畸变，证明了改进晶体的夹持方式可以有效改善晶体面形，提高准直精度和准直光斑质量，并显著提升三倍频转换效率。

• 不同实验条件对激光诱导等离子体的影响机理研究

  王莉, 周彧, 傅院霞, 徐丽,

  常温常压下，采用波长532 nm的Nd：YAG纳秒激光器激发诱导空气中的铝合金，由高分辨率的光谱仪和ICCD对等离子体发射光谱采集和实现光电转换。研究激光能量、ICCD门延迟和聚焦透镜到样品表面的距离（lens-to-sample distance，LTSD）对谱线信号强度和等离子体电子温度的影响，并分析了产生影响的物理机制。结果表明，固定ICCD门延迟和LTSD，随着激光能量的增大，谱线强度和电子温度均增大；计算结果表明，当激光能量从20 mJ增加到160 mJ时，原子谱线Al I 396.15 nm，Mg I 518.36 nm，离子谱线Mg II 279.54 nm谱线强度相较于20 mJ分别提高了12.83，6.45，10.56倍。固定激光能量和LTSD，ICCD门延迟在100～4 000 ns范围内变化时，随着延迟的增加，谱线强度和等离子体电子温度均呈指数形式衰减。固定ICCD门延迟和激光能量，采用焦距为75 mm的聚焦透镜，研究了LTSD对等离子体参数的影响机理。结果表明，聚焦透镜到样品的距离对等离子体的谱线强度和电子温度有较大的影响。等离子体的特征谱线强度和等离子体的电子温度的变化规律基本一致，分别在聚焦透镜到样品表面的距离为73 mm和79 mm处取得峰值，并在73 mm处对应最大值。

• 单色化X射线显微成像实验研究

  陈亮, 徐捷, 李文杰, 刘汉威, 王新, 穆宝忠,

  围绕激光惯性约束聚变（ICF）内爆压缩阶段高空间分辨、高能谱分辨的诊断需求，提出了一种将KB显微镜和衍射晶体组合的大视场、单色化成像系统。在实验室条件下，利用Fe靶X射线光管，采用KB显微镜结合高定向热解石墨（HOPG）对网格进行背光成像，晶体选能后的成像结果表明，系统的视场能达到800 μm，其中高分辨区域成像的分辨率为37 μm。采用能谱探测器测试成像能谱，结果表明，系统的能量分辨率为28，验证了系统的单色性能。该系统兼顾了大视场、空间分辨和能量分辨，对内爆压缩阶段实验中热斑结构及混合效应的研究具有重要应用。

• 磁化套筒惯性聚变初步探索研究与实验可行性分析

  赵海龙, 王刚华, 王强, 张恒第, 肖波, 阚明先, 杨龙,

  磁化套筒惯性聚变(MagLIF)构型可充分利用现有大型脉冲功率驱动装置，如聚龙一号等。基于磁流体力学方程组和1∶1比例氘氚(DT)混合燃料聚变模型，开发了零维MagLIF数值模拟程序并进行了初步探索研究。计算结果表明初始负载参数(如轴向磁场强度，预加热温度、时刻，负载半径等)与聚变产额之间有着密切的联系，在给定条件下，可依据计算给出的定性关系进行负载优化设计。值得注意的是，根据计算结果，即使在理想条件下，氘氚燃料要实现能量收支平衡，则驱动器的电流必须大于21.2 MA。这意味着聚龙一号装置(10 MA)无法开展集成化的MagLIF实验，进一步的校验计算验证了上述观点，并在此基础上提出铝套筒分解实验的建议和负载设计参数。所取得的计算结果有利于加深对MagLIF套筒压缩阶段物理过程的认知和理解。

• 电磁混响室搅拌方式研究综述

  赵翔, 茹梦圆, 闫丽萍, 刘长军,

  电磁混响室是进行有限空间内电磁兼容、电磁效应测试以及无线信道模拟的重要设备。搅拌方式是混响室的核心内容。主要从改变混响室边界条件和激励源配置的角度，对国内外混响室搅拌方式的研究历史和现状进行分类介绍，列举了一些具有代表性的实现方案，总结了各种方式的特点，介绍了混合搅拌方式的研究进展。

• G波段分布作用速调管用新型周期永磁聚焦系统

  王自成, 王元坤, 曲兆伟,

  提出了一种新型周期永磁（PPM）聚焦系统，其中，每半个周期的这种PPM聚焦系统由1件极靴和5块永磁体共同组成，第1、第3、第5块永磁体与第2、第4块永磁体的极化方向相反，且任何相距半个周期的2块永磁体均具有相反的极化方向。采用MTSS2018对这种新型PPM聚焦系统的磁场进行了计算，结果表明新型PPM聚焦系统的轴线上磁感应强度Bz具有显著的第3次和第5次空间谐波，在过0点后能够更快上升到峰值，整体构型十分接近具有理想矩形分布的PPM系统。采用MTSS2018对G波段分布作用速调管（EIK）所需的电子枪进行了模拟计算，并采用上面计算的Bz对该电子注进行聚焦，获得了电子注电压为22 kV，电子注电流为215 mA的电子注，电子注最大半径为0.08 mm，满足G波段EIK的应用要求。计算中的峰值磁感应强度仅为1.2 \sqrt 2 BB，说明新型PPM聚焦系统与传统PPM聚焦系统相比，可以在较低的峰值磁感应强度的条件下实现电子注的有效聚焦。

• PIN限幅器的高功率微波单脉冲效应研究

  袁月乾, 陈自东, 马弘舸, 秦风,

  基于PIN限幅器的等效电路模型，构建了PIN限幅器HPM效应ADS等效电路仿真模型，利用HPM注入实验和等效电路仿真相结合的方法，研究了单个微波脉冲作用下PIN限幅器的响应规律，获取了HPM作用结束后限幅器限幅持续时间与注入脉冲功率、脉宽的对应关系，并对限幅器的限幅持续过程进行了分析。仿真与实验结果表明：PIN限幅器限幅持续时间随着微波脉冲功率和脉宽的增大而变大，实验和仿真结果趋势一致，该研究使用的ADS等效电路模型可以应用于PIN限幅器的高功率微波瞬态响应特性分析研究。

• 基于互耦补偿策略的IFFT算法及其应用

  浦宣, 程友峰, 谢少毅, 杨丹, 廖成,

  介绍了一种基于互耦补偿矩阵(MCCM)的迭代快速傅里叶变换(IFFT)技术，并将其应用于宽角度扫描相控阵的低旁瓣综合中。首先，在所提出的综合方法中，将互耦补偿矩阵引入到IFFT技术中以考虑阵元间的互耦效应，使考虑互耦的阵列远场重新满足方向图乘积原理。然后，提出了一款基片集成波导背腔结构的宽波束天线单元，该天线能够同时激励起TE110与TE210两种模式从而展宽其工作频带且具有宽波束性能，并且基于此单元分别建立了阵元数为35，75，100的宽角度扫描相控阵天线。最后，利用所提出的IFFT技术对这三个相控阵进行低旁瓣综合。与基于有源单元方向图遗传算法的对比结果表明，在−60°到60°的扫描范围内均能实现低旁瓣电平，并且IFFT优化算法具有更快的速度。

• 一款2 G/s采样率20 GHz带宽主从式跟踪保持电路设计研究

  张贵福, 周劼, 刘友江,

  设计了一款全差分、20 GHz带宽主从式跟踪保持芯片（MS-THA）。该芯片采样率为2 G/s，工作带宽大于20 GHz，采用0.13 μm SiGe BiCMOS工艺实现。该芯片采用传统的开关发射极跟随器（SEF）作为跟踪保持核心电路，Cherryhooper电路作为输入缓冲和输出缓冲的带宽增强核心电路，并利用交叉反馈电容抑制馈通。为了验证上述电路的有效性，设计了一个单级THA电路，测试结果为MS-THA电路提供了足够的支持。在单电源+3.3 V供电、输入直流电平为0 V，2 G/s采样率以及−3 dBm输入信号功率条件下，获得的单端输出无杂散动态范围小于−23.5 dB，总功耗约为300 mW。

• 具有高隔离度的双陷波超宽带多入多出天线

  王丽黎, 杜忠红, 杨海龙, 韩雪妮, 席晓莉,

  提出了一款具有高隔离度的双陷波超宽带多入多出（UWB MIMO）天线。该天线由两个相同的半切超宽带天线单元倒置构成。通过在天线底板刻蚀栅栏型缺陷地解耦结构，使该MIMO天线的隔离度提高至25 dB。此外，在天线半圆形辐射贴片上刻蚀两个方向相反的“L”型缝隙，实现了双陷波的功能，分别抑制了802.16无线城域网WiMAX（3.2～3.7 GHz）和WLAN（5.15～5.85 GHz）信号对天线系统的干扰。实验结果表明，该天线在3～11 GHz工作带宽内的隔离度大于25 dB，包络相关系数（ECC）小于0.004；第一个陷波频段为3.0～3.7 GHz，第二个陷波频段为5.1～5.85 GHz，有效抑制了WiMAX和WLAN的信号干扰。

• 超快电子衍射装置的束流能量反馈控制

  张俊强, 李林, 刘亚娟, 江涛, 肖诚成, 顾强, 向导,

  上海交通大学的超快电子衍射（UED）装置由一台电子直线加速器作为驱动，电子枪为一台光阴极微波电子枪。加速器在运行中电子枪会偶尔打火，腔体失谐，造成束流损失，束流能量产生变化，束流需要很长时间才能恢复到初始状态，影响了用户的使用。为此，对低电平控制器（LLRF）的幅度相位控制环路进行了改进，增加了能量反馈，代替了幅度反馈，通过对束流的中心位置进行实时的反馈以控制低电平控制器输出信号的幅度，保证了电子束流的能量稳定和电子枪加速场强的稳定。长时间的稳定性测试表明，电子枪在打火产生时，束流能量可以很快恢复，能量抖动由4.293 3×10−4（RMS）提高到2.855 7×10−4（RMS），实现了束流能量的长期稳定。

• 一种非正交对称条带束流位置监测器设计

  钱梦翔, 吴芳芳, 周泽然, 周天雨, 卢平, 孙葆根,

  介绍了一种条带束流位置监测器（BPM）的设计与仿真方法。在国家同步辐射实验室“太赫兹近场高通量材料物性测试系统”工程项目中，针对波荡器出口处真空室非正交对称性的问题，设计了矩形真空室和跑道形真空室下的两种非正交对称性条带BPM，并与传统的圆形真空室下条带BPM进行对比。基于边界元法，利用MATLAB软件分别对三种真空室下的条带BPM进行建模和仿真。仿真结果表明：相对于传统的圆形真空室下条带BPM，矩形和跑道形真空室下条带BPM灵敏度提高了30%，阻抗匹配误差相对降低了20%，束流位置拟合误差降低了80%。考虑加工精度，矩形真空室下的条带BPM更适用于该工程。

• 1.3 GHz超导腔磁通排出效应研究

  米正辉, 杨际森, 沙鹏, 董超, 王洪磊, 翟纪元, 林海英, 郑洪娟, 刘佰奇, 孙良瑞, 张祥镇, 贺斐思, 潘卫民,

  设计并搭建了一套高精度的磁场测量和补偿系统，并结合中国科学院高能物理研究所（IHEP）的2K超导腔垂直测试平台对1.3 GHz 单加速间隙超导腔的磁通排出效应开展了实验研究：利用研制的磁场测量和补偿系统能够精密地测量超导腔赤道位置磁场，并能够将磁场补偿至小于5.0×10−8 T；并对超导腔不同表面温度梯度下的磁通排出效应进行了测量分析；对钉扎了磁场的超导腔进行了射频性能测试，研究了超导腔电阻对磁通钉扎的敏感度，以及在不同电场梯度下超导腔的表面电阻变化情况。结果表明，研制的高精度磁场测量和补偿系统能够满足超导腔磁通排出研究的需求；高的超导腔表面温度梯度有利于磁通的排出；磁通钉扎电阻的敏感度随着加速电场梯度的增加而增大，导致超导腔的性能下降。此实验研究也为后续超导腔的研制奠定了一定基础。

• APTR质子同步加速器RFQ直线注入器的优化设计

  乔舰, 谢修璀, 李德明, 蒲越虎,

  为实现质子治疗装置的国产化和小型化，基于已完成安装调试的上海先进质子治疗装置（APTR），开展质子治疗注入器系统的升级设计研究，利用PARMTEQM设计软件和快聚束策略，针对APTR同步加速器RFQ直线注入器进行动力学设计模拟。RFQ工作频率为325 MHz，流强18 mA，对从离子源引出的低能质子束流进行匹配俘获、横向聚焦、纵向聚束和预加速，引出能量为3.0 MeV。通过优化预注入器RFQ动力学设计方案和极头参数，有效避免参数共振，减小束流损失，使其整体传输效率达到98.0%，在水平和垂直方向上的发射度增长分别为1.2%和3.3%，出口束流满足下一级腔体的注入需求，开展设计模拟验证和相关冗余度分析，为质子同步加速器的治疗设备和直线注入系统提供参照依据。

• 基于单纯形优化法的准方波脉冲形成网络设计

  王传伟, 李洪涛,

  脉冲形成网络常用于大功率固态调制器、微波驱动源以及激光激励源中，以便获取宽平顶的高压长脉冲输出。针对常用的雷利网络，根据宽平顶低纹波的应用需求，开展了优化设计技术研究，提出了基于单纯形优化法的设计算法。主要针对两种情形进行了优化设计及计算：一是电容值相等，通过优化电感值以获取最优的输出波形；二是约定电容值（电容值不完全相等），通过优化计算不同电容排列下的输出结果，寻求最优的电容排列组合及相应的优化电感值。上述优化算法结果表明，在两种情形下均可以获得较优的准方波脉冲输出，可以为准方波脉冲形成网络的工程实现提供一种新的方法。理论计算和电路仿真结果表明，所提出的方法合理可行。

• 表面喷砂对有机玻璃沿面闪络性能影响

  郭跃文, 刘文元, 霍艳坤, 柯昌凤, 唐运生, 段荔, 陈昌华,

  绝缘子表面粗糙处理是提升其沿面闪络性能的重要途径，表面粗糙化处理方式不当，极易带来表面结构不均匀，难以获得稳定耐压性能的绝缘材料。为提升绝缘子表面粗糙处理的均匀性，本文利用表面喷砂技术对圆柱形有机玻璃（PMMA）绝缘子进行了粗糙化处理研究，以球形二氧化硅（SiO2）颗粒为工作介质，研究了不同喷砂粒径、氢氟酸后处理等因素对绝缘材料表面形貌和组分的影响，并利用短脉冲高压测试平台对喷砂处理前后有机玻璃绝缘子样品进行了真空沿面闪络性能测试。研究结果表明，喷砂处理在有机玻璃表面形成了较为均匀的凹坑，HF酸能够有效去除表面残留的SiO2颗粒，具有表面喷砂粗糙结构的绝缘子沿面闪络电压得到了稳定提升，相较于未处理的绝缘子闪络电压提升了约80%。

• EAST新快控电源保护系统的设计

  武旭, 王林森, 吴义兵, 盛志才, 陈涛, 李亚,

  针对EAST超导托卡马克实验装置的新快控电源系统AC-DC-AC各环节工作中可能出现的问题，提出各环节的控制保护方法。通过深入研究核聚变领域快速控制电源的保护机理，并结合核聚变装置的需要，设计了抑制浪涌电流电路、电压保护电路、过电流保护电路、过温保护电路、电能泄放保护电路及撬棒保护电路，与传统的保护法相比，该方案具有保护范围广、可靠性强、安全性高的特点。实验结果表明，该电源保护系统可以确保电源在突发故障情况下安全可靠地退出，有效保护超导托卡马克实验装置内的超导磁体及电源各器件不受损坏，从而验证了设计方案的正确性和有效性。

• 表面增强拉曼光谱技术检测新型冠状病毒刺突蛋白

  黄景林, 周民杰, 乐玮, 陈果, 倪爽, 牛高, 李赜宇, 赵宗清, 何智兵, 李波, 赵松楠, 张保汉, 杜凯,

  开发具有高灵敏度、高准确性的新型冠状病毒（SARS-CoV-2）快速检测技术对疫情防控具有重要作用。本文利用表面增强拉曼光谱（SERS）技术对人体唾液中的痕量SARS-CoV-2病毒刺突蛋白（S蛋白）进行了检测。结果表明，含S蛋白的唾液样本与原始唾液样本的拉曼光谱具有显著区别，含S蛋白的唾液样本谱图中可清晰观察到属于S蛋白的拉曼谱线。该结果为后续SERS技术在SARS-CoV-2病毒快速检测方面的应用奠定了坚实基础。