强激光与粒子束杂志

强激光与粒子束杂志2021年第9期

• 大功率780 nm半导体激光器的设计与制备

  何林安, 周坤, 张亮, 李弋, 杜维川, 胡耀, 高松信, 唐淳,

  设计并制备了一款780 nm半导体激光器，并进行了外腔反馈锁模研究。利用金属有机化学气相沉积技术制备了激光器外延层，采用GaAsP/GaInP作为量子阱/波导层有源区，限制层采用低折射率AlGaInP材料。采用超高真空解理钝化技术，在激光器腔面蒸镀无定形ZnSe钝化层。未钝化器件在输出功率2.5 W时发生腔面灾变损伤（COD），钝化后器件未发生COD现象，电流在10 A时输出功率10.1 W，电光转换效率54%。体布拉格光栅（VBG）外腔锁定前后，器件的光谱半峰全宽分别为2.6 nm和0.06 nm，VBG变温调控波长范围约230 pm。

• 大口径反射镜低应力夹持技术

  郑胜亨, 马文静, 杨英, 曹庭分, 陈晓娟, 郭雨源, 廖予祯, 张鑫, 韩伟, 邓学伟, 胡东霞,

  高功率固体激光装置对大口径反射镜附加波前畸变和姿态稳定提出了苛刻的要求，在确保姿态稳定性的同时，要求低应力夹持使附加波前畸变峰谷值（PV值）＜λ/3, 波长λ＝633 nm。提出了一种正面三点支撑结合侧面八点限位的大口径反射镜夹持技术，对该夹持结构下引起的附加波前畸变进行了仿真和实验研究，并对反射镜姿态稳定性进行了不同工况下的实验模拟。结果表明，该夹持方式引入的附加波前畸变PV值约为23.6 nm，振动、晃动、翻转不同工况下反射镜指向变化PV值小于50 μrad，附加波前畸变和姿态稳定性均满足高功率激光装置的要求。

• 超声振动对于激光烧蚀铝表面温度场仿真分析

  王岩, 殷杰, 董颖怀, 李跃华, 程子政, 赵静楠, 杨硕,

  针对超声振动对于激光烧蚀铝表面温度场的影响，建立了三维数值模型，利用ANSYS软件对超声振动辅助激光烧蚀金属铝的温度场进行了数值模拟。通过对比不同激光扫描速度、超声振动频率下激光相邻两个光斑温度场随时间的变化，发现相邻光斑的温度、尺寸以及位置均发生改变。数值研究表明，随着激光扫描速度的增加，激光扫描到相同位置的最大温度降低，而且凹坑的深度逐渐变浅；由于超声振动引起的介质分子位移，当超声振动频率为15 kHz时，凹坑温度发生了明显的下降且凹坑位置在振动方向发生了错位，这有利于产生新的激光作用轨迹。

• 离轴八程放大器自动准直技术研究

  陈知非, 姚轲, 范琛, 唐军, 吕梦洁, 卢振华, 高松, 谢旭东, 傅学军, 范孟秋, 郑奎兴, 陈波, 彭志涛, 冯斌,

  展示了基于离轴八程激光放大器的闭环自动准直技术研究，该项技术旨在用自动准直系统取代手动光路准直的方式，明显提高了该构型复杂的多程激光放大器的运行效率、准直精度与其输出光束质量。该技术利用主激光照明和像传递系统实现离轴八程激光放大器中滤波器小孔空间位置的精确标定，通过边缘检测处理远场光斑得到其指向中心。基于光斑中心与基准间的差值，对特定反射镜架进行二维控制进行光束指向补正，从而实现离轴八程放大器系统的闭环自动准直。研究结果表明，实验结果契合离轴八程放大器系统对光束准直准确率与效率的要求，验证了该准直技术在离轴八程激光放大光路中应用的可行性。

• 低损耗宽带近零色散高非线性光子晶体光纤设计

  杜海龙, 郑义, 庞学民,

  提出了一种兼具低损耗、宽带近零色散和高非线性的光子晶体光纤结构，该结构光纤包层空气孔直径从纤芯向外层方向渐进增加；应用多极法，通过改变包层空气孔间距Λ、各层空气孔直径和空气孔层数Nr，对光子晶体光纤色散、损耗和非线性特性进行分析，获得了各特性随包层结构参数变化的规律，并最终设计出最佳结构参数。计算结果表明，该结构光纤存在3个零色散点，在1.25～1.55 μm较宽的波长范围内，色散值波动小于0.27 ps·nm−1·km−1，色散斜率小于0.008 ps·km−1·nm−2，1.55 μm波长处损耗为0.021 dB/km，在常用的飞秒激光泵浦波长0.8，1.06，1.55 μm处非线性系数分别达到78.6，60.4，38.2 W−1·km−1。

• 高灵敏高稳定的碘化铯阴极密封式分幅变像管研制

  杨阳, 朱炳利, 缑永胜, 陈震, 白晓红, 秦君军, 白永林, 刘百玉, 徐鹏, 王博, 曹伟伟,

  为解决采用Au光电阴极、开放式结构的分幅变像管探测效率低、稳定性差的问题，研制了一种采用CsI光电阴极的密封式分幅变像管。为了对比不同光电阴极对X射线的响应强度，密封式分幅变像管制作有一条Au微带阴极和一条CsI微带阴极。完成了密封式分幅变像管的结构设计、工艺制作和实验测试。研究结果表明：当加载半高宽度200 ps、幅值−2.7 kV的选通脉冲时测得其时间分辨为65 ps；在非单色高能X射线源照射下，CsI阴极的静态响应强度是Au阴极的3.4倍；大气环境中存储1000 h后密封式分幅变像管的静态响应强度仅降低到完成制作时的83%。上述结果表明采用CsI阴极的密封式分幅变像管具有更高的探测效率和稳定性，可有效提升X射线分幅成像质量和可靠性。

• 靶丸壳层厚度及其分布的白光反射光谱测量技术

  樊婷, 马小军, 王宗伟, 王琦, 何智兵, 易勇,

  为了精密检测靶丸壳层厚度及其分布数据，开展了靶丸壳层厚度及其分布的白光反射光谱测量技术研究。介绍了靶丸壳层的白光反射光谱及其光谱数据处理方法（极值法、峰值拟合法、干涉级次校正法等）的基本原理，搭建了基于白光反射光谱的精密回转轴系测量装置；开展了GDP靶丸壳层厚度及其分布的白光反射光谱测量、数据处理和可靠性验证实验，获得了靶丸壳层厚度圆周分布曲线。结果表明，基于峰值拟合法和干涉级次校正的白光反射光谱技术可实现靶丸壳层厚度及其分布的准确测量，其测量误差小于0.1 μm。

• 晚期HEMP作用下铁路牵引供电系统GIC算法研究

  高志伟, 周于翔, 朱思熠,

  高空核爆电磁脉冲晚期效应（E3）会引起地磁场剧烈变化并形成地面感应电场。感应电场等效为激励源与地面长距离导体和大地构成回路，产生地磁感应电流 （GIC）。GIC可引起牵引供电系统中变压器直流偏磁，从而严重威胁牵引供电系统的安全运行。本文基于平面波理论、分层大地电导率模型并结合牵引供电系统的电路模型，提出E3作用下的牵引供电系统GIC算法，并以带回流线的直接供电方式的铁路牵引供电系统为例，首次计算了系统GIC情况。结果表明，该供电方式下牵引供电系统中的GIC远大于系统中变压器等设备的耐受值，为进一步研究E3作用下牵引供电系统效应及我国铁路设备选型、灾害防治等提供支撑。

• 毫米波回旋速调管放大器的自洽非线性数值模拟

  张点, 安晨翔, 张军, 张建德, 钟辉煌,

  为了实现回旋速调管放大器的快速设计，基于经典的回旋管的稳态单模非线性理论方法，开展了回旋速调管放大器的束波作用效率的理论模拟研究。由于单模理论无法匹配回旋速调管放大器的输入腔、中间腔两端的突变边界条件，所以输入腔与中间腔都只能采用给定场法进行求解。回旋速调管的输出腔的功率输出端通常采用缓变结构，这种腔体可以采用单模自洽理论进行求解。对两腔毫米波回旋速调管放大器进行了理论模拟，并与商业粒子模拟软件的结果进行对比，验证了该数值理论模拟方法的有效性。

• 地面与卫星太赫兹通信高频大气窗口分析

  曹相春, 郝建红, 赵强, 张芳, 范杰清, 董志伟,

  较大的传输路径损耗限制了太赫兹无线通信在大气中的传输距离，要想实现地面与卫星之间太赫兹波的长程传输，必须先找到低衰减的大气透明窗口。本文结合我国大气分布特点，通过大气辐射传输模型工具am（atmospheric model）对大气吸收衰减建模进行分析，从中选定适合我国地面与卫星太赫兹通信的理想地基站点；利用真实大气数据和分层传输理论，计算了地面与卫星之间太赫兹通信的总路径损耗，结合信号发射功率、天线增益、信噪比、噪声功率值和相应的路径衰减阈值，给出了天线增益分别为0～100 dBi时10～15 THz频段内的总可用带宽和大气窗口；通过将高海拔平台作为地面与卫星之间太赫兹通信的中继链路，给出了1～15 THz频段内的可用大气窗口，为我国地面与卫星通信链路的建立、地基站点和通信频段的选取提供了理论和数值参考。

• 多脉冲磁绝缘线振荡器阴极释气电离仿真研究

  杨郁林, 董志伟, 孙会芳, 杨温渊, 张芳,

  在磁绝缘线振荡器（MILO）阴极释气电离物理建模技术以及三维自洽运算基础上，研究了残存气体脉冲缩短，并分析了释气电离对多脉冲MILO运行的影响。把多脉冲释气分为脉冲内阴极释气脉间残余气体累积两个部分，研究了不同释气率以及残余气体对整个器件的运行产生影响。计算结果表明，多脉冲运行MILO最主要影响因素是释气后电离产生的正离子，当正离子密度超过发射电子密度时，束波互作用被破坏。

• 无线通信系统电磁脉冲传导防护组件设计与有效性试验验证

  杜传报, 毛从光, 崔志同, 孙东阳, 郝佳, 吴伟, 陈伟, 吴志强, 邱扬,

  为提高甚高频无线通信系统的抗高空电磁脉冲能力，基于易损性分析结果，确定了瞬态泄流和稳态滤波联合防护的设计思路以及设计指标，并研制了防护样件。使用20 ns/500 ns传导注入波形开展防护组件脉冲注入试验，比系统原始防护器残余电流峰值减小60%，启动时间缩短75%，作用时间缩短80%，注入波形低频能量限制（20 MHz以下）提高1个量级；以某甚高频无线通信系统为被试品，开展了防护组件加固验证试验，防护组件残余电流控制在10 A水平以下，被试系统功能和性能指标正常，验证了防护组件设计的有效性。

• 电子束长程传输中离子通道的振荡特性研究

  薛碧曦, 郝建红, 赵强, 张芳, 范杰清, 董志伟,

  离子通道可以有效抑制电子束在等离子体环境内传输过程中的径向扩散，已有工作研究了离子通道对电子束的影响，但离子通道建立过程和暂态特性研究则更有助于理解和利用离子通道在电子束长程传输中的作用。本文利用PIC方法对离子通道的时空分布进行二维模拟，并基于单粒子理论推导出描述离子通道振荡的解析模型，对上述两种模型的结果相互校验。上述模型的计算结果表明，在长程传输过程中，相对论电子束在等离子体内部建立的离子通道是持续周期振荡的，电子束密度、电子束初始半径以及环境等离子体密度都会对离子通道的振荡规律产生影响，针对不同的等离子体环境选择合适的电子束参数可以有效提高离子通道的稳定性，进而提升传输过程中电子束的束流质量。

• 连续调谐太赫兹回旋管非稳定振荡状态研究

  赵其祥, 冯进军, 吕游, 郑树泉, 张天钟,

  太赫兹回旋管可实现高功率输出，并具有一定的频率调谐范围，是核磁共振波谱系统理想的高功率太赫兹辐射源。设计了263 GHz，TE5,2基波连续调谐回旋管，通过磁场调节实现频率调谐范围为1.39 GHz，利用时域多模多频自洽非线性理论对设计的连续调谐回旋管非稳定振荡状态进行了研究。结果表明，在低次纵向谐波模式工作磁场范围内，当工作电流大于起振电流时，连续调谐回旋管先进入稳定状态，高次纵向谐波模式被抑制，工作模式TE5,2的输出功率随时间不变；当电流增大，纵向谐波模式间的竞争引起回旋管由稳定状态进入到非稳定振荡状态，工作模式TE5,2的输出功率随时间呈振荡变化且互作用效率大大降低；随着电流的进一步增大，回旋管又回到与低电流不同的稳定状态，互作用效率进一步降低。同时发现非稳定振荡状态的起始电流随着磁场增加而增大。本研究对需工作于稳定状态的面向DNP-NMR应用的连续调谐太赫兹回旋管的研制具有一定指导意义。

• 机器学习在大型粒子加速器中的应用回顾与展望

  万金宇, 孙正, 张相, 白宇, 蔡承颖, 储中明, 黄森林, 焦毅, 冷用斌, 李标斌, 李京祎, 李楠, 卢晓含, 孟才, 彭月梅, 王生, 张成艺,

  机器学习技术在近十几年发展迅猛，并被广泛地用于解决复杂的科学和工程问题。最近十年间，基于机器学习的粒子加速器相关研究也开始呈现出井喷式发展趋势。国际上许多加速器实验室开始尝试用机器学习和大数据技术处理加速器中的海量复杂数据，以期解决加速器及其子系统中的诸多物理和技术问题。不过，迄今为止，机器学习在加速器中的应用仍处于初步探索阶段，不同机器学习算法在解决具体加速器问题的效果及其适用范围尚待摸索，机器学习在实际加速器中的应用仍非常有限。因此，有必要对加速器领域中的机器学习研究做一个整体回顾和总结。将回顾机器学习在大型粒子加速器（以储存环加速器和直线加速器为主）中的加速器技术、束流物理以及加速器整体性能优化等研究方向中已取得的研究成果，并探讨机器学习在加速器领域的未来发展方向和应用前景。

• 光阴极微波电子枪驱动激光整形与传输系统

  李成, 汪文星, 李伟伟, 张浩然, 姜世民, 高攀云, 何志刚, 张善才,

  为满足合肥先进光源对高品质注入束流的要求，合肥先进光源预研项目研制了一套光阴极微波电子枪系统作为注入器电子源。为降低空间电荷效应引起的束流发射度增长，对驱动激光整形及传输系统进行了理论和实验研究。通过双折射晶体的脉冲时间整形以及采用光阑高斯截断的空间整形，得到了近似均匀分布的激光脉冲。像传递激光传输光路，实现了光阴极表面激光位置的高稳定性。实验结果显示，光阴极表面的激光位置抖动小于4 µm，激光性能满足实验要求。

• 新型金属丝靶电子源实验研究

  殷佳鹏, 远晓辉, 周祖圣, 裴国玺, 刘圣广,

  电子束在基础科学研究、工农业生产和医疗领域发挥了重要作用。提出了一种新型的电子源技术方案：高功率激光脉冲轰击金属丝靶，可以产生大量能量在百keV量级的热电子，一部分热电子在丝靶表面自生电磁场的作用下沿着丝靶运动，丝靶后方可以获得指向性良好的电子束。实验上成功在金、钨和铜丝靶后方获得了电子束团，测量了束团束斑、电荷量和能谱。铜丝靶单发实验收集到的电子束团总电荷量可达3 nC，能量分布在0～240 keV区间内，能谱在100 keV附近呈现峰值。提出了微波压缩方案，设计了2腔微波聚束腔，利用ASTRA对微波腔压缩过程进行了模拟计算。结果显示，可以将电荷量1 nC、长度55 ps的束团压缩至27 ps，满足后续微波加速器对电子源的要求。

• 基于多反应通道的高产额激光中子源实验研究

  崔波, 张智猛, 戴曾海, 齐伟, 邓志刚, 黄华, 贺书凯, 王为武, 滕建, 张博, 刘红杰, 陈家斌, 肖云青, 吴笛, 马文君, 洪伟, 粟敬钦, 周维民, 谷渝秋,

  基于超短超强激光的短脉冲中子源是实现超快中子探测的理想中子源。如何提升中子产额是目前短脉冲激光中子源实现应用需求亟需解决的关键问题。提出基于靶背鞘场加速机制和束靶反应方案，采用LiD复合组分靶作为中子转换体，可以有效提升激光中子产额。与常规的LiF转换体相比，除了p-Li和d-Li两个反应道之外，LiD转换体可以多出p-D和d-D两个反应道，因此可充分利用激光加速的质子和氘离子的多反应通道优势来提升中子产生概率。实验结果表明，相比于LiF转换体，LiD转换体可带来中子产额2～3倍的提升，达到5.2×108 n/sr的最高中子产额，并具备更好的前冲性。实验还区分了多反应通道的贡献，证明中子产额提升主要来自于p-D反应。

• 基于新型安全架构的HEPS插入件安全控制系统

  赵述涛, 曹建社, 陆辉华, 孙舒晨, 巩克云, 孙亚军, 张祥镇, 李啸宇, 张磊, 李煜辉, 李志强, 陈宛, 龚玲玲, 郭青, 黄永胜, 杨燕伟,

  高能同步辐射光源（HEPS）插入件控制系统的主要功能是实现插入件磁间隙的开合运动控制。插入件控制系统的安全运动对插入件、储存环和光束线站的设备和人员安全至关重要。针对HEPS插入件控制系统的安全需求，研究了工业安全设计的标准和规范，在国内外同类型插入件控制系统中首次设计和实现了基于新型安全架构的安全系统。安全系统的设计和实施符合国际安全标准，并达到了安全完整性三级的高安全等级。该系统已成功应用在HEPS测试束线低温波荡器中，并完成了系统性的测试。测试结果表明，HEPS插入件安全系统实现了所有预期的安全指标，达到了高安全等级工业控制系统的标准。

• 数字束流位置探测器通道自动增益校准方法的研究与实现

  高国栋, 曹建社, 刘智, 杜垚垚, 叶强, 麻惠洲, 随艳峰, 岳军会, 何俊, 徐韬光, 杨静, 张醒儿, 唐旭辉, 魏书军,

  在现有硬件基础上，基于BPM测量准确度的需求，在自制的电子学FPGA芯片内，通过Verilog语言实现了一种数字BPM采样数据增益自动校准的设计。首先介绍了自动增益校准模块的系统总体设计；然后对模块的实现方法做了详细说明，设计并搭建了ADC数据自动增益校准测试平台以验证自动增益较准模块的功能；最后介绍了该设计在BPM通道标定中的应用。实验结果表明，该方法可以实现4通道增益一致，使ADC采样后的数据幅度相同，有效解决了由通道增益不一致引起的测量偏差，以及工程应用中ADC数据幅度校准工作量大且难于操作的问题，将在BPM系统通道自动标定中发挥重要作用。

• 电磁脉冲模拟装置用3 MV中储电容器的研制

  陈志强, 谢霖燊, 贾伟, 何小平, 汤俊萍, 陈维青,

  介绍了一台大型垂直极化有界波模拟装置所用中间储能电容器（简称中储电容器）的设计过程和实验结果。电容器采用基于元件和组件的模块化设计，呈锥台状结构，支撑壳体为真空工艺玻璃钢材料。电容器容值由模拟装置等效的二级脉冲压缩回路决定，取值为1.8 nF。电容器内部绝缘介质为十二烷基苯，外部绝缘介质为45#变压器油，设计耐压3 MV，其绝缘长度主要由元件的体绝缘特性决定。采用三维电磁仿真软件估算中储电容器与中储开关构成回路的电感为659 nH，接近于实测数据623 nH。电容器上脉冲电压的测量通过对电容器电流进行积分来获取，而电流的采集采用封装在SF6气体中的3个膜电阻并联后所构成测量模块实现。实际运行数据表明，中储电容器容值达到设计值，测量探头标定系数稳定，在工作电压3.1 MV条件下未发生绝缘问题。

• 50 MW速调管用分数比脉冲调制器

  李运海, 郭翔, 杨荣, 阮征, 童义, 谢晓峰,

  研制了一套S波段50 MW速调管用分数比脉冲调制器，具有脉冲变压器变比1∶300、初级电源电压1.25 kV、输出峰值功率113 MW等特点。分数比脉冲调制器属于加法器式固态调制器的类型，其原理为分开铁心使其磁场感应叠加，再高变比脉冲变压器升压。利用1∶60的高变比升压脉冲变压器技术，实现了初级单元电路为较低工作电压、各组件模块化、放电单元接地等优点，同时实现了脉冲变压器初级低漏感值、次级绕组低分布电容值、放电单元及传输回路低电感值。工程样机测试结果为输出脉冲电压大于312 kV、脉冲电流大于360 A、脉冲前后沿小于1.4 μs的高功率全固态脉冲调制器，为国内工业辐照加速器、自由电子激光加速器等需要高稳定射频功率源的应用提供一种解决方案。分数比脉冲调制器具有输出脉冲宽度可较大范围调节，可以适应负载阻抗的较大范围变化，无线性调制器中使用的氢闸流管的寿命限制，较低工作电压的高运行可靠性等优点。

• CRAFT超导磁体电源换流变压器短路阻抗设计

  黄荣林, 傅鹏, 黄连生, 许留伟, 高格, 何诗英,

  聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）超导磁体电源兼具大电流稳态运行、高功率脉冲运行和瞬态故障抑制能力的需求。换流变压器的短路阻抗与超导磁体电源的特性密切相关。为了优化超导磁体电源的性能，基于交直流系统的参数和换流变压器的等效电路模型，研究了换流变压器短路阻抗与超导磁体电源的输出电压、谐波电流、短路故障电流和无功损耗的关系。短路阻抗越小，超导磁体电源的额定输出电压越高，无功损耗越小，这些特性对CRAFT超导磁体电源的性能有利，但是短路故障电流和谐波电流增加，影响电源的短路故障抑制能力和谐波特性。在CRAFT超导磁体电源换流变压器短路阻抗设计时，首先短路阻抗必须满足直流电源的额定输出电压和故障电流抑制能力，其次，由于CRAFT超导磁体电源是多相变流器，仅产生高次特征谐波电流，含量少便于抑制，因而尽量选择较小的短路阻抗。

• 非相干成像双目视觉系统的误差分析

  黄宏疆, 王鑫, 储修祥,

  影响双目视觉系统测量精度的因素很多，目前系统结构参数对测量精度的影响主要有光轴与基线的夹角、基线距离、水平视角、物距以及透镜焦距等。由于孔径尺寸直接影响成像分辨率，是决定双目视觉测量精度的核心因素，因此依据非相干成像理论，对双目成像过程进行仿真和实验，采用加速鲁棒特征算法对所成的图像对进行特征提取与匹配，获取其视差值，并且计算其视差均方根误差来表征系统误差。研究结果表明，系统误差随着透镜孔径大小的增大而减小，并且趋于饱和。该研究可以为双目系统设计过程中系统参数和孔径尺寸的选取提供理论和实验依据。