强激光与粒子束杂志

强激光与粒子束杂志2021年第10期

• 喷雾冷却的热逆转现象及其传热强化特性

  龙文俊, 郑磊, 赵锐, 程文龙,

  针对高热流密度激光介质散热问题，利用实验方法研究了以十二烷基硫酸钠水溶液作为工质的喷雾冷却传热特性。结果表明，在特定的热流密度范围内，随着热流密度的增加，加热面温度不升反降，称之为热逆转。热逆转现象对对流换热系数的提升作用可高达94.0%，提升大小与热流密度有关。热逆转对应的热流密度区间为80～130 W/cm2，与浓度关系较小。热逆转现象与实验过程有关，该现象仅在热流密度逐渐升高的过程中出现，降低和任调热流密度过程中未发现此现象。热逆转具体原因还有待研究。

• 矩形晶格高偏振、低损耗铋锗镓光子晶体光纤的结构设计及性能分析

  谭芳, 杨强, 霍慕逸, 周晶, 周德春, 许鹏飞,

  非对称结构光子晶体光纤应用广泛。其良好的偏振特性、灵活的色散调控能力以及低限制损耗品质，对于优化与改善偏振光纤器件、非线性光学光纤、光通信光纤、光纤传感器等性能发挥着关键的作用。选用高折射率铋锗镓激光玻璃为材料，设计了八边形阵列、矩形晶格排列的光子晶体光纤，纤芯缺陷区包层及外包层均为圆形空气孔。模拟实验数据显示，结构参数为M=0.5，0.6时，在波长为1.55 μm处的双折射系数分别为1.16×10−2和1.33×10−2；在近红外波段短波区，矩形晶格结构光子晶体光纤的色散范围分别在±30 ps·nm−1·km−1之间及−18～32 ps·nm−1·km−1之间。色散斜率较低，曲线具有零色散点，展现了良好的连续谱调控能力；在1.00～1.90 μm波段内，当M=0.5，0.6时，光纤限制损耗稳定在10−7～10−9 dB·km−1之间；在1.55 μm处，限制损耗测量值分别为2.32×10−7和1.62×10−8 dB·km−1。

• 抛光区域几何特征与流场创成关键参数关系

  杨航, 余玉民, 张云飞, 黄文, 何建国,

  磁流变抛光在其实际工作过程中，抛光区域几何特征的不同将会对流场创成的关键参数产生很大的影响。针对此问题建立三维模型与实验仿真展开研究。在研究抛光区域几何特征与流场创成关键参数的关系时，先改变抛光区域形状，观察其对流场创成中剪切应力、压力产生的影响；再控制抛光区域的形状相同时，通过改变抛光区域尺寸大小，观察对流场创成中剪切应力、压力产生的影响。结果表明：当抛光区域形状不同时，抛光区域为凹面时剪切应力最大，抛光区域为凸面时剪切应力最小。当抛光区域形状为凸面时，抛光区域两边的剪切应力随着抛光区域曲率大小增大而增大；当抛光区域形状为凹面，抛光区域两边的剪切应力随着抛光区域曲率大小增大而减小。当抛光区域形状不同时，抛光区域为凹面时压力最大，抛光区域为凸面时压力最小。当抛光区域形状为凸面时，抛光区域处的压力随着抛光区域曲率增大而增大；当抛光区域形状为凹面时，抛光区域处的压力随着抛光区域曲率增大而减小。

• 多色非相干光入射ICF黑腔受激布里渊散射分析

  王强, 刘占军, 郑春阳, 李欣, 曹莉华, 郝亮, 蔡洪波,

  为研究多色非相干激光入射ICF黑腔的受激布里渊散射（SBS）和受激拉曼散射（SRS）发展情况，建立了一维受激散射稳态谱分析模型，并发展了相应的数值模拟程序。分析了不同频率激光激发的受激散射光通过共用等离子体波耦合的物理图像以及影响背散光谱的物理因素。针对波长差0.3 nm的等强度双色光入射封底金腔的SBS进行了模拟分析，结果表明：采用双色光有效抑制了SBS；SBS光谱劈裂成间距为0.3 nm的两个峰；波长较长的入射光对应的SBS光获得了较大的增益；如果固定激光总强度和总带宽，则存在抑制SBS的最优光束数目。

• 基于极化转换超表面的宽带低雷达散射截面缝隙天线阵

  潘晨清, 周东方, 刘起坤, 张毅, 吕大龙, 张德伟,

  提出了一种利用极化转换超表面(PCM)来缩减雷达散射截面(RCS)并保持缝隙天线阵列辐射特性的新型天线，在不影响天线性能的情况下实现了天线的宽带RCS缩减。该PCM由45°倾斜的开槽矩形贴片周期排布构成，它被放置在缝隙阵列天线的上表面，起到RCS缩减的功能。分析了RCS缩减的特点和原理，仿真和实验结果表明，带有PCM的缝隙天线阵在x极化和y极化波冲击下，单站RCS缩减带宽为8.0～21.8 GHz。同时天线的辐射特性在阻抗带宽、增益和辐射模式等方面都能保持良好性能。

• 高功率谐振式波导缝隙阵宽角扫描技术

  马嘉雯, 孙云飞, 宛建峰, 张强, 袁成卫,

  在传统高功率缝隙波导阵列中，缝隙间的相互耦合严重影响了阵列的宽角扫描能力。以实现阵列宽角波束扫描为目标，通过分析阵列扫描特性，从提高缝隙阵元间隔离度的角度出发，提出在阵列中引入隔离栅结构，降低了阵元间耦合对阵列大角度扫描时的影响。在此基础上，设计了基于波导窄边斜缝的谐振式阵列天线，采用电磁仿真软件优化阵列。数值模拟结果表明，未采取措施前阵列的最大扫描范围为±34°，引入隔离栅后扫描范围可扩大至±45°，波导端口S11≤−10 dB，增益仅下降了2.3 dB，单根缝隙波导功率容量达330 MW，有应用于高功率微波领域的潜质。

• 波导-同轴线的脊型转换器设计与测试

  张辉, 慕振成, 荣林艳, 王博, 万马良, 谢哲新, 周文中, 李松, 刘美飞,

  射频测量系统中经常会用到波导-同轴线转换器，主要是利用其将射频器件的波导端口转换成能够直接接入测量仪器的50 Ω同轴线。本文设计的648 MHz/WR1500波导同轴转换器主要用于CSNS升级工程（CSNS-II）超导直线射频器件的测量。利用切比雪夫脊型阶梯阻抗变换和探针耦合的方式实现波导到同轴线的转换。对脊加载波导和不连续同轴线分别进行了分析，得到最优尺寸。为了提高测量精度，设计的波导-同轴线转换器具有低插入损耗、低驻波比和宽带宽等特性。最后对生产的转换器进行了测试，测试结果与仿真结果相近，能够满足作为测量器件的使用要求。

• 分层视角下无线通信网络高空电磁脉冲效应

  杜传报, 毛从光, 崔志同, 刘政, 石跃武, 王伟, 聂鑫,

  从分层视角研究无线通信网络高空电磁脉冲效应，提出了一种具有层级属性的网络级效应评估方法。设计研制了一种无线通信网络效应试验仿真平台，网络使用典型全连通拓扑结构，网络节点使用超外差式收发机，网络运行在超短波频段。开展了小型网络脉冲辐照效应试验和效应机理分析，网络仿真研究了网络规模不同条件下节点失效概率对网络性能的影响。得到以下结论：（1）设备级效应对低层级效应具备一定冗余容错能力,这取决于效应评价指标的选择和损伤组件的功能属性；（2）网络级效应对设备级效应具有潜在放大效果，个别节点失效可能造成网络性能严重下降甚至瘫痪。

• 基于吸聚一体的低散射传输型透镜设计

  胡嫁琪, 李震宇, 王祖鑫, 尚玉平, 王思豪, 廖成,

  通过传输型超表面透镜与电路模拟雷达波吸收器的集成设计，提出了一种兼具透射波前变换与带外雷达散射截面减缩特性的微波复合材料设计方法。透镜采用亚波长分布的周期性单元，由梯度相位补偿对透射波进行调节，进而获得平面波前与球面波前之间的互易变换。并且，使用透镜在波前变换频带以外低频端的反射特征，结合单个有耗层设计，构造了电路模拟吸波器。选用一副缝隙耦合馈电的微带贴片天线单元作为初级馈源天线，观察到复合材料的波前变换特性可在宽频带范围内产生主瓣增益增强效果。与透镜相比，电路模拟吸波器的引入使得复合材料针对TE与TM极化分别可在130.68%与155.11%的频率范围内获得雷达散射截面减缩效果。通过全波模拟和实验测量，验证了辐射增益增强与雷达散射截面减缩效果，表明了复合材料吸聚一体设计的有效性。

• 电磁脉冲对CMOS与非门的干扰和损伤效应与机理

  孙毅, 柴常春, 刘彧千, 李福星, 杨银堂,

  利用Sentaurus-TCAD建立了CMOS与非门电路的二维电热模型，仿真研究了在电磁脉冲注入下，CMOS与非门电路产生的扰乱和损伤效应及其机理。结果表明，在EMP注入下，电路输出电压、内部的峰值温度呈周期性的“下降-上升”，当注入功率较大时，EMP撤销后输出电压停留在异常值，PMOS源极电流增加，温度不断上升，最终烧毁在PMOS源极，这是因为器件内部产生了闩锁效应。随着脉宽的增加, 损伤功率阈值减小而损伤能量阈值增大，通过数据拟合得到脉宽与损伤功率阈值和损伤能量阈值的关系。该结果可对EMP损伤效应进行评估并对器件级EMP抗毁伤加固设计具有指导作用。

• 高品质因数谐振腔的储能过程和泄能过程

  王自成, 张志强, 高冬平, 丁耀根, 高怀林,

  为了计算高品质因数谐振腔的储能过程和泄能过程，将高品质因数谐振腔的输入膜片和输出结构分别建模为一个二端口网络和一个三端口网络，根据高品质因数谐振腔的信号流图，提出了一种基于递推的数值计算方法。用该方法设计了一个工作在2.92 GHz附近的基于BJ32波导的高品质因数谐振腔，给出了谐振腔的储能过程和泄能过程。当输入膜片开口宽度取20 mm、输出膜片开口宽度取60 mm时，计算得出的谐振频率为2.9198 GHz，饱和储能时间为2.6 μs，输出脉冲宽度6.82 ns，输出峰值增益为129.6，能量效率为0.169。

• Ka波段分布作用速调管多间隙谐振腔研究

  赖威豪, 丁海兵, 陆登峰, 吉忠浩, 肖韧,

  谐振腔作为速调管的高频互作用电路，其特性对速调管的功率、效率、增益和带宽等性能具有决定性影响。主要介绍了某Ka波段分布作用速调管谐振腔的设计过程：基于多间隙谐振腔理论，利用电磁仿真软件CST详细分析了谐振腔不同结构尺寸对特性参数，如品质因子、特性阻抗、耦合系数、有效特性阻抗的影响，优化得到谐振频率为35 GHz的五间隙谐振腔的物理结构模型，并给出互作用仿真结果，为Ka波段分布作用速调管设计及其高频注波互作用的计算提供重要的参考和依据。

• 合肥光源逐束团相位测量及纵向不稳定性诊断

  唐雷雷, 卢平, 孙葆根, 周泽然, 吴睿喆,

  为了研究储存环束流多束团纵向运动特性，在合肥光源（HLS-II）上研制了一套逐束团相位测量系统。该系统利用示波器直接采集BPM和信号，采用过零点检测法、时间差分（Temporal Difference, TD）法相结合的方法从BPM和信号中提取出逐束团相位。介绍了逐束团相位测量系统的系统构架、相位提取方法以及在HLS-II上的一些实验结果。通过对该系统记录的5 ms时间长度的逐束团多圈相位数据的离线分析，得到多束团纵向运动的同步振荡的频率、纵向工作点、束团振荡的模式信息以及振荡模式增长率等特征信息，诊断出HLS-II在top-off恒流运行期间存在2个较强的纵向耦合束团不稳定模式，并提取出了2个振荡模式的增长率。该系统的逐束团相位测量结果及相关纵向不稳定性分析可为机器研究、纵向反馈系统调试评估及高频RF系统的性能评估等提供参考。

• 中国散裂中子源准直控制网数据处理方法

  王铜, 董岚, 梁静, 马娜, 柯志勇, 何振强, 罗涛, 门玲鸰, 闫路平, 韩圆颖, 卢尚, 张露彦, 闫皓月, 刘晓阳,

  以中国散裂中子源CSNS的直线加速器控制网为例，对其数据处理方法进行研究，采用平面与高程二维平差以及三维定向平差两种方式对准直控制网进行处理分析。同时，为了使准直数据处理更加简易便利，提出利用激光跟踪仪的测量软件SA实现三维定向平差的方法。通过不同软件及不同数据处理方法的对比，验证准直控制网数据处理的正确性，最终200 m长直线控制网点位精度优于0.2 mm，这为准直控制网的数据处理提供了指导。

• 脉冲X射线辐射效应时间能量联合数值模拟

  陈玉, 岳东立, 钟辉, 张雨琦, 郝义, 张靖雯, 朱小锋,

  在脉冲X射线辐射效应研究中，需要将时间维度信息结合到仿真模型中，进而实现基于时间能量联合方法的辐射效应数值模拟，同时也为瞬态脉冲辐照效应的仿真提供了一种思路。建立轫致辐射打靶模型，计算出射脉冲X射线能谱，得到脉冲X射线的时间能量联合谱，结合辐射对象的辐射效应仿真模型，获得氧化铝陶瓷试样在不同时间及不同入射深度处的能量沉积。

• Zr掺杂形式对钨电子发射材料组织性能的影响

  陈然, 杨建参, 韦银河,

  采用中频感应加热烧结方法制备了W-1.5%La2O3-0.1%Y2O3-0.1%ZrO2和W-1.5%La2O3-0.1%Y2O3-0.08%ZrH2电子发射材料，烧结样品的致密度约为95.5%。热电子发射测试结果表明，添加氢化锆的热电子发射材料样品的零场发射电流密度大于添加氧化锆的样品，分析认为是添加的氢化锆在烧结时，发生分解，生成活性的Zr可以捕获钨晶界中的杂质氧，净化晶界，从而提高了电子发射；维氏显微硬度表明添加氢化锆样品的硬度高于添加氧化锆的样品，分析表明是氢化锆的添加有效改善了钨晶粒之间的结合性，提升了钨电子发射材料的硬度。利用SEM，EDS，XRD、金相显微镜等表面分析设备对样品进行了表征，样品结构显示添加氢化锆与添加氧化锆相比，不仅钨晶粒尺寸由13.63 μm降至11.63 μm,而且稀土相尺寸由1.87 μm降至1.66 μm，这种组织结构的变化有利于电子发射。

• 高精度多路脉冲延时技术

  潘昭浩, 张政权, 刘庆想, 王廷轩,

  针对全固态直线变压器驱动源(LTD)中大规模开关同步触发的需求，设计了一款基于ZYNQ-7000 SoC平台的全数字多路脉冲延时系统。介绍了该系统各功能模块，并重点从时间数字转换器(TDC)、多路脉冲输出及ARM核控制三个模块进行分析设计。详细阐述了TDC模块抽头延时法原理及高精度进位链的构造；采用粗延时和细延时结合设计多路脉冲输出模块，有效提高信号的延时精度和范围，且模块化设计提高了通道数目的可扩展性；阐述ARM核控制流程，实现了响应快、稳定性高的控制。最后对系统进行了仿真验证，固化后在器件上进行了实测。实验结果表明，系统能够对外部触发信号实现多路延时输出，信号脉冲宽度1200 ns，幅值1.8 V，延时步进1 ns，延时调节范围0～4.29 s，输出误差低于1 ns。

• 基于SI-GaAs材料的新型脉冲压缩二极管

  屈光辉, 汪雅馨, 赵岚, 徐鸣, 贾婉丽, 马丽, 纪卫莉,

  针对快前沿高重频脉冲的应用需求，设计并研制了一种基于半绝缘砷化镓（SI-GaAs）材料的新型脉冲压缩二极管，通过实验对其压缩性能和重频运行能力进行了测试。实验结果表明，利用此开关能够将前级脉冲的上升沿压缩约270倍和脉宽压缩14倍；并在50 Ω负载上，获得脉冲幅度1.3 kV、上升沿约1.6 ns、脉宽40.59 ns的电脉冲，重复频率达1 kHz，总计运行47 min，触发约两百万次。为研究脉冲压缩二极管的工作原理，对其静态伏安特性进行测试。分析认为，在电压初步加载阶段，SI-GaAs材料内的电场增强型的俘获与离化机制导致耐压增强，二极管在实验过程中出现延迟击穿现象；逆向偶极畴效应产生牵引机制，引发快速上升的位移电流，进而导致反偏结雪崩击穿，二极管表现出瞬间负阻特性，在负载上输出高压纳秒电脉冲。新型脉冲压缩二极管无外加触发快脉冲的前级器件，自身可以维持一定时间的强烈雪崩击穿状态，因此具有体积小、生产成本低的优点，可用于制作小型化高重频的纳秒脉冲功率源。

• CSNS的kicker电源闸流管触发特性分析

  李海波, 齐欣, 张文庆, 沈莉, 黄远, 林木楠,

  针对中国散裂中子源kicker电源的闸流管，研制了基于大电流脉冲预电离和高压脉冲点火原理的双脉冲触发器，提高了闸流管的触发导通稳定性；同时研究了氢流、灯丝电流及预点火电流等参数对闸流管状态的影响；针对闸流管误漏触发现象，研制了基于单稳态及逻辑门电路构成的误漏触发检测电路，能够对闸流管的状态进行准确分析及预判；最后对kicker脉冲电源系统进行了年度分析总结。

• 基于神经网络的选区激光熔化残余应力预测

  景艳龙, 李杰, 石文天, 闫晓玲,

  当前对选区激光熔化产生的残余应力预测方法主要为数值模拟，但由于设备、环境、粉末等因素差异性较大，且具有较大不确定性，很难建立符合实际情况的数值模拟模型。利用神经网络在预测多变量、复杂线性信息处理方面能力强的特点，建立适用于预测316L不锈钢粉末选区激光熔化残余应力的模型。使用选区激光熔化技术打印相当数量的不同工艺参数的试样，采用超声波检测其内部残余应力作为神经网络的训练样本，并使用这些样本对神经网络模型进行训练，获得具有预测功能的神经网络，将验证样本的工艺参数输入神经网络，计算出预测的残余应力值，与实际检测值进行对比。实验结果表明，预测值与实际测量值偏差较小，验证了所提方法的有效性。采用神经网络预测残余应力的方法，可以快速确定不同选区激光熔化工艺参数对应的残余应力，避免设置残余应力较高的工艺参数，有效缩短制备高质量工件试样的周期，降低成本。