强激光与粒子束杂志

强激光与粒子束杂志2022年第6期

• 1.8 mJ高倍率Nd:YAG板条皮秒激光放大器

  王金川, 李密, 杜佳林, 汪丹, 李腾龙, 王君涛, 周唐建, 尚建力, 高清松,

  设计了一种高倍率的固体皮秒脉冲激光放大器，采用Nd:YAG板条作为激光增益介质。借助板条结构的角度选通结构，搭建了板条五通放大系统，实现了对注入皮秒脉冲激光的高倍率放大。种子源工作在脉冲模式，放大器泵浦源在连续模式工作。皮秒光纤激光器可以在不同的重复频率下工作，脉冲宽度为13.4 ps。种子光经过隔离和耦合系统之后，注入板条的单脉冲能量为25 nJ。当种子源工作重复频率为24.46 MHz时，板条放大器输出平均功率377 W，单脉冲能量15.5 μJ；当种子源工作重复频率为49.8 kHz时，板条放大器输出平均功率89 W，单脉冲能量1.8 mJ，峰值功率为134 MW，放大倍率达到7.2×104。

• 260 W波长锁定光纤耦合输出泵浦模块实验研究

  吴华玲, 雷军, 郭林辉, 王丞乾, 谢鹏飞, 刘雨萱, 张永刚, 程心刚, 李潇潇, 吕文强, 王昭, 高松信,

  半导体光纤耦合输出泵浦源是光纤激光器的核心器件，其性能直接制约光纤激光器的输出水平。采用COS封装的高功率LD芯片，通过VBG外腔光谱锁定和精密光束整形变换技术，结合偏振合束与精密聚焦耦合技术将18个LD单元耦合进105 μm/NA0.22光纤，获得不低于260 W功率输出。实验表明，该模块在注入电流18 A时，可获得稳定输出连续功率264 W，对应电光效率52%，输出光谱中心波长975.92 nm，谱宽0.51 nm。该设计为获得高功率、高亮度波长稳定泵浦源提供了一条可行途径，光纤耦合输出模块工程化后可广泛应用在光纤激光器泵浦等领域。

• 355 nm和1064 nm双波长预处理对DKDP晶体损伤性质的影响

  李云飞, 史晋芳, 邱荣, 余健, 郭德成, 周磊,

  为了研究3ω预处理、3ω和1ω同时辐照预处理情况后DKDP晶体的3ω损伤特性，建立了双波长预处理和损伤测试实验系统，重点研究了双波长同时辐照预处理情况下1ω能量密度对预处理效果的影响，分析了双波长同时辐照预处理过程中的能量耦合机制。研究结果表明：双波长同时辐照预处理在提升DKDP晶体抗3ω激光损伤性能方面的效果明显好于单波长预处理；在双波长同时辐照预处理情况下，远低于自身预处理阈值的1ω参与了预处理作用过程；在相同3ω能量密度、能量阶梯的预处理策略下，1ω能量密度存在最佳值。

• 超热相干汤姆逊散射实验研究取得进展

  龚韬, 陈朝鑫, 李志超, 郝亮, 赵航, 蒋小华, 潘凯强, 李琦, 李三伟, 杨冬, 王峰, 杨家敏, 赵宗清, 张保汉,

  在神光III原型装置上，利用8束三倍频（351.0 nm）激光注入充气黑腔产生大尺度高温等离子体并激发高水平受激布里渊散射（SBS）过程。利用1束四倍频（263.3 nm）探针束和1套广角汤姆逊散射诊断系统，获得了三倍频激光SBS过程驱动的离子声波的超热相干汤姆逊散射（STS）光谱。通过对STS光谱和背向SBS光谱进行联合分析，揭示了SBS的时空演化过程。

• 大功率速调管收集极高效强迫风冷散热系统的设计

  雷磊, 周宇, 高冬平, 时全局,

  为解决大功率小型化速调管收集极在强迫风冷条件下的高效散热问题，以某大功率速调管为研究对象，介绍了一种大功率高效风冷收集极系统的设计方法。利用ANSYS有限元软件对收集极的强迫风冷散热特性进行模拟计算，分析比较了非均匀热流密度加载方式下不同散热翼片结构对风冷收集极的风阻和最高温度的影响，确定了散热翼片的尺寸和数量。为进一步提高风冷收集极系统的对流换热效果，对收集极入风口的结构进行改进，收集极内表面最高温度降低了22 ℃。采用风冷收集极风阻的计算模型对风阻进行验证，仿真结果与理论值相差2.2%。最后对采用该风冷收集极系统的大功率速调管进行测试，实验测试的最高温度与仿真结果相差1.8%，验证了该风冷收集极系统设计的合理性和有效性。

• 大功率铁磁性微波部件微放电演变机理与抑制

  李韵, 封国宝, 谢贵柏, 苗光辉, 李小军, 崔万照, 贺永宁,

  铁氧体环行器是承载航天器微波系统大功率的关键器件，其大功率微放电效应是影响航天器在轨安全、可靠运行的瓶颈问题。从影响微放电效应的关键因素——二次电子发射特性出发，提出铁磁性微波部件微放电效应物理演变模型，揭示了铁磁性微波部件内部初始自由电子与二次电子运动的空间规律；通过改变铁磁性微波部件表面二次电子发射特性，揭示了铁磁性微波部件抗微放电优化设计的物理原理。在S频段铁氧体环行器中验证了基于表面二次电子发射特性的微放电效应抑制，将器件的微放电阈值从380 W提高至3400 W以上，提升效率大于900%。

• GJB151B CS115的电路仿真分析（二）——标准应用分析

  崔志同, 陈伟, 董亚运, 聂鑫, 吴伟, 刘政,

  为解决GJB151B CS115电缆束注入脉冲传导敏感度测试项目中的试验设计、效果预估等问题，在介绍不同类型受试线缆感性脉冲电流注入电路模型的基础上，仿真分析了试验设置中的各项因素（线缆设置、末端负载等）对注入到受试设备端口耦合电流/电压的影响，得到了CS115试验设置中存在的一些规律性特征，给出了应用电路仿真开展CS115试验设置分析和优化的方法。

• SiC光导开关衬底与电极界面场强仿真与优化设计

  罗燕, 丁蕾, 赵毅, 姚崇斌, 王立春,

  研究电极结构、SiC与电极连接结构对界面场强的影响，通过电极边缘以及SiC晶体结构的优化降低界面处的电场增强，并通过高压试验测试优化电极结构的击穿电压。结果表明，优化电极倒角以及SiC晶体与电极的界面下埋可有效降低电场增强，在电极为圆倒角及界面使用焊料连接的结构下，使用介质环的器件在电压22 kV时击穿。

• 一种新型低电感磁绝缘传输线的冷腔特性

  刘燕, 刘腊群, 周良骥, 蒋吉昊, 刘大刚, 王辉辉, 王启昂,

  研究了一种新型低电感花瓣形磁绝缘传输线的冷腔特性。该传输线构型的横向剖面的真空部分由12个类似花瓣形状的周期组成，而每个周期又由平行板和同轴圆弧两种基本传输线构型组成。该构型的整体轮廓有效增加了电极面积，使得传输线的电感大大降低，从而实现使用单层磁绝缘传输线即可获得较低的阻抗，规避了多层汇流结构带来的复杂的PHC结构和磁零位区损失问题。首先，分别计算出两种基本构型单元的电磁场分布、电感、电容和阻抗；而后，再整体计算分析出花瓣形磁绝缘传输线的电磁特性参数；同时，还通过数值模拟来分析该传输线的冷腔特性，获得了该传输线的阻抗值及电磁场分布，并将数值模拟结果与理论计算值进行了对比分析，结果验证了理论计算方法的正确性。

• 数字束流位置探测器系统的信噪比需求分析

  高国栋, 唐旭辉, 曹建社, 杜垚垚, 刘智, 叶强, 麻惠洲, 随艳峰, 岳军会, 何俊, 季大恒, 杨静, 李宇鲲, 魏书军,

  以高能同步辐射光源（HEPS）对BPM提出的位置测量分辨率要求为出发点，介绍了BPM系统的整体架构并推导出BPM系统的信号链路中各级信号所需达到的信噪比；并根据ADC采样数据的信噪比需求，计算出ADC采样时钟的抖动需求；最后介绍了能够测量BPM信号信噪比和采样时钟抖动的BPM测试平台。各项结论可以作为判断BPM系统各部分能否达到HEPS工程要求的标准。

• 基于神经网络的大孔径厚针孔成像复原算法研究

  李冬, 盛亮, 李阳, 段宝军,

  为了更好地获取低强度辐射源空间分布图像，提出一种使用神经网络算法将大孔径厚针孔退化图像复原的方法。建立了孔径5 mm、10 mm、15 mm的厚针孔模型，获得了3600个汉字形状辐射源的厚针孔退化图像集。基于DnCNN神经网络模型，建立了大孔径厚针孔退化图像复原神经网络，并与维纳滤波、Lucy-Richardson这些传统算法进行了比较。在考虑噪声影响后，利用迁移学习理论，对原神经网络模型进行迁移训练，再对含噪大孔径厚针孔退化图像进行复原。神经网络算法复原的RMSE明显低于传统方法，迁移学习显著减小了噪声的影响。证明了神经网络算法在大孔径厚针孔退化图像复原领域的优越性，并验证了神经网络方法复原含噪大孔径厚针孔退化图像的可行性。

• 兰州重离子回旋加速器主场电源改造

  欧恒恒, 燕宏斌, 张帅, 周宁, 赵鑫, 原振栋, 吴凤军,

  为满足分离扇回旋加速器（SSC）对于磁场精度的需求，需对其主场电源进行改造。提出开关电源与线性电源相结合的方式作为SSC主场电源的改造方案。电源总体分为两部分，采用模块化的开关电源作为前级电压源，三极管线性调整电路作为后级模块的主电路，充分利用两种电源的优势，实现高稳定度、低纹波的电流输出，同时大幅度提升电源的功率密度和可靠性。文章介绍了电源的工作原理及改造过程，详细阐述了三极管线性放大原理以及管压降控制电路、输出电流控制电路的设计与实现，通过仿真对电路进行功能验证，最终在电源样机上进行实验测试。测试结果表明：改造后主场电源输出电流稳定度达到了±3.99×10−6，电流纹波达到了2.7×10−9，各项性能均优于改造前。

• 氢原子束在大气长程传输中自剥离效应研究

  沈硕, 郝建红, 张芳, 赵强, 范杰清, 董志伟,

  氢原子束在大气传输时，束流粒子与大气粒子碰撞电离形成的大气剥离效应，以及和大气剥离产生次级粒子碰撞电离形成的自剥离效应，是造成氢原子束能量损失的重要机制。考虑到自剥离效应成因复杂，虽然目前已有一些理论方面的研究结果，但对其发生机理和对束流损失效果尚未有实验或数值模拟方面的工作，因此，通过对自剥离效应的发生机理和对束流损失的影响进行分析，进一步完善了自剥离效应理论，在通过束流传输方程验证了粒子云网格-蒙特卡罗法对氢原子束大气传输仿真模拟适用的基础上，将仿真结果与自剥离理论进行了对比，验证了自剥离效应理论的适用性。模拟结果表明，自剥离效应是由束流被大气电离产生的带电次级粒子团在地磁场的影响不停地穿越束流导致的，且自剥离效应的强弱与原子束的密度有关，束流密度越大，自剥离效应越强，对束流的影响越大。

• Ti-Zr-V吸气剂薄膜在管道的制备与真空性能研究

  朱邦乐, 范乐, 洪远志, 王思慧, 尉伟, 王一刚, 方键威, 王勇,

  利用直流磁控溅射方法在单晶硅片和内径为22 mm、长度分别为500 mm和1500 mm的银铜管道内壁镀制了Ti-Zr-V非蒸散型吸气剂薄膜，并对镀膜管道的极限真空进行了测量。结果显示：在180 ℃下激活24 h后，镀制了Ti-Zr-V薄膜真空管道的极限真空度可以达到9.2×10−10 Pa。在关闭测试系统和离子泵的阀门后，系统仅依靠Ti-Zr-V薄膜的吸气依然能够维持在9×10−9 Pa很长时间。利用测试粒子蒙特卡罗法对薄膜的抽速和容量进行了分析和测量，结果显示，Ti-Zr-V薄膜对CO的初始粘附系数最大可以达到0.3，容量可以达到1.2个分子层。

• 基于Marx自激监测控制的闪光照相试验可靠性提高技术研究

  江孝国, 杨兴林, 蒋薇, 荆晓兵, 陈楠, 李劲, 李远, 王远, 刘邦亮, 臧宗旸, 陈茂, 王永伟,

  强流直线感应加速器（LIA）主要应用于闪光照相试验，对其工作可靠性的要求很高。但LIA中包含了庞大的高电压脉冲功率系统，在充电及等待时期，存在发生自激的可能性，从而导致试验失败，并造成重大经济损失及严重影响。从对Marx等装置发生自激后进行立即监测控制的角度，提出了一种提高闪光照相试验可靠性的方法，并研制了可靠性高、适应各种高压放电装置的无源放电检测探头，采用大规模可编程集成电路作为系统中的逻辑处理单元，提高了系统集成度，降低了线路的复杂程度，降低了系统调试的难度，研制的监测控制器可方便地进行监测路数的扩充，适应多达几十路放电装置的检测与监控。功率系统装置自激后，自激监测控制系统响应速度快，最快可以达到100 ns级，且系统抗干扰能力强，满足在闪光试验环境工作的要求，达到了在一定程度上提高闪光照相试验可靠性的目的。

• SXFEL阻抗壁尾场对束流相空间畸变的影响

  龚有为, 程文才, 赵明华, 李烜, 谷端, 张猛,

  X射线自由电子激光器（FEL）由于其超高亮度、超短脉冲等特点，在世界范围内得到广泛应用。 基于尾流场理论，我们计算了上海X射线自由电子激光器（SXFEL）中从直线加速器出口到波荡器末端，束流在245 m不锈钢传输线和波荡器中的阻抗壁尾场。通过对两种不同的阻抗壁尾场的叠加，发现将导致束流纵向相空间的畸变。在SXFEL上进行束流物理的实验，并得到与理论预测非常吻合的实验结果。 结合之前对主要直线加速器部分的详细模拟和实验研究，为后续FEL整体束流优化提供了参考。

• 95 MeV射频电子直线加速器辐射防护分析

  李迪开, 曹磊峰, 池云龙, 周征, 陈秋宏, 张春晖, 代艳萌, 俞健, 颜苗苗, 邓嘉玲, 汪雪, 周沧涛,

  应相关建设安评、环评、稳评以及职业健康评估的要求，电子加速器设计过程中即应对其辐射情况进行分析。针对电子能量为40～95 MeV可调的光阴极微波电子枪直线加速器，对其辐射源项进行分析，并讨论了可能的辐射防护措施的效果。采用蒙特卡罗软件FLUKA对电子束流和加速器进行建模，通过模拟计算发现，加速器产生的等效剂量分布主要位于废束桶中，废束桶以外辐射剂量迅速下降，在电子加速器实验大厅四周设置混凝土墙体的情况下辐射等效剂量率将随墙体厚度迅速下降。若混凝土墙体厚度设置为1 m，则墙体外工作人员所在区域辐射等效剂量率不高于1 μSv/h量级，能够有效屏蔽加速器产生的电离辐射，给工作人员提供有效防护。研究方法及结果对同能区同类型加速器建设中的辐射分析及辐射防护评估具有一定的参考价值。

• 基于单个四条带BPM的非拦截式能散度测量方法

  钟黎明, 涂修德, 陈曲珊, 付强, 胡言琦, 熊永前,

  能散度是反映束流品质的重要参数，采用传统测量方法测量时打到靶上的束流不能得到利用，测得的数据也是多个宏脉冲的平均值，利用该方法的测量结果进行束流调节时，要等待荧光靶从束流轨道中反复插入和提出，调节时间很长。基于单个四条带束流位置检测器，结合发射度测量的方法，实现了非拦截式能散度测量方法。该方法能在不加入额外设备的情况下对每个束流宏脉冲的能散度进行测量，测量结果与传统的拦截式测量方法结果相吻合。进行了误差分析，指出为了减小测量系统误差，需要尽可能使束流通过束流位置检测器中心。

• 双自由度诊断高能电子透镜成像技术

  肖家浩, 杜应超, 李豪卿, 赵永涛, 盛亮,

  电磁场及流体演化过程信息的获取在高能量密度物理、可控核聚变及实验天体物理的研究中起着重要的作用，然而在实验过程中，电磁场信息及流体信息的同步获取是非常困难的。基于高能电子透镜成像技术，利用面密度差分的方法，提出了一种可以实现面密度和场积分强度同时获取的双自由度诊断设计方案。结合了蒙特卡罗模拟和束流光学分析，该方案在相对较强的电磁场情况下的适用性得到了验证。此外，我们可以通过改变Fourier面处光阑的形状将其适用区间扩展到低电磁场强度相空间。结合高能电子束相对论速度及超短脉冲的特点，该技术非常适用于磁流体超快演化过程的诊断。

• 高触发信号和功率合成的高峰值功率皮秒脉冲源

  张雅茹, 陈袭, 李杨, 杨宏春, 魏召唤,

  对于目标的攻击、干扰和探测，超宽带时域脉冲源的幅值直接影响其攻击、干扰和探测的强度和效果。基于雪崩晶体管的Marx电路被广泛应用在产生此类信号源上，传统的Marx电路可以一定程度上提高输出电压的幅值，但由于雪崩晶体管功率容量较低等原因，雪崩晶体管的Marx电路输出电压幅度会随级数增加而达到饱和。针对此类问题，为了产生更高幅值的脉冲信号，综合采用提高触发信号和使用宽带功率合成器的手段。最终利用26级Marx电路作为触发信号，4路40级Marx电路进行功率合成的方法，实现了输出电压幅值为8.7 kV、上升沿约为180 ps的技术指标，并通过机理分析了高触发信号对雪崩晶体管Marx电路的影响，通过实验得到了印证。

• 300 MV·A脉冲发电机组向HL-2M装置环向场供电仿真研究

  徐玉麟, 彭建飞, 卜明南, 李华俊, 王英翘, 李维斌, 李波,

  为实现对环向场电流的高效准确控制，提高中国环流器二号M托卡马克装置的实验效率，开展了针对300 MV·A六相脉冲发电机组向环向场脉冲放电的仿真研究。从300 MV·A六相脉冲发电机组向聚变装置环向场供电系统的拓扑出发，以等效处理分析为基础建立了仿真模型并进行脉冲放电动态过程仿真。通过对比分析仿真波形与300 MV·A六相脉冲发电机组向HL-2A装置供电的实际波形，验证了仿真模型的可靠性和合理性。在此基础上进行了300 MV·A六相脉冲发电机组向HL-2M环向场供电过程仿真研究，根据不同的环向场电流平顶值，得到了其对应的300 MV·A六相脉冲发电机组励磁电压控制波形，可以作为下阶段装置高参数实验实际控制的重要参考和先进控制策略研究平台。

• 电弧射流激励器工作特性仿真研究

  袁野, 张岩, 赵青, 黄小平, 郭成,

  为了在高超声速飞行器减阻中达到更好的减阻效果，设计了一种电弧射流等离子体激励器。采用有限元法求解非线性多物理方程，对此电弧射流等离子体激励器的工作特性进行了数值模拟，得到了激励器内部的电势、压力、温度和速度分布，综合分析了进气口气体速度、放电电流、激励器管道半径对电势、压力、温度和速度分布的影响。获得了全面的影响规律，通过仿真结果还得到：电弧射流等离子体激励器可产生最高温度为8638 K、最高速度为655 m/s的等离子体射流。当电流20 A，进气速度0.5 m/s，管道半径2.5 mm时，所需功率最小；当电流20 A，入口气体流速5 m/s，管道半径2.5 mm时，出口处平均温度最高；当电流20 A，进口气体速度10 m/s，管道半径2.5 mm时，出口处平均速度最大。并对仿真得到的放电电压进行了实验验证，在等离子体参数相似的情况下，实验结果与仿真结果吻合较好。

• 基于Si-PM阵列的辐射作用位置定位方法研究

  刘鑫, 袁永刚, 吴健, 何敬涛, 冯鹏, 瞿金辉, 刘易鑫, 钱易坤, 张颂, 赵先圣,

  在辐射成像中准确估计射线与探测器相互作用的空间位置是保障成像质量的关键步骤。为进一步提升辐射作用事件的定位效果，有效抑制重心法在辐射事件作用位置靠近探测器边缘时造成的定位偏移，针对Si-PM阵列构成的位置灵敏探测系统建立了基于响应函数的定位算法。搭建了基于CsI阵列与Si-PM阵列构成的位置灵敏探测器和基于ASIC的电子学读出系统，使用等效电阻网络简化了Si-PM阵列的输出信号数量， 通过实验获得了辐射事件在Si-PM阵列上的响应函数。实验结果表明，在同一条件下使用响应函数法在最边缘像素散点的FWHM仅为使用重心法获得FWHM的46.2%，与中央像素散点的FWHM相当，基于响应函数的辐射事件方法定位效果明显优于传统重心法的定位效果，可有效克服重心法的边缘效应。

• 小波包分形在远区核爆电磁脉冲识别中的应用

  张震川, 曹保锋, 李鹏, 殷昊, 武慧春,

  针对远区核爆电磁脉冲(NEMP)和闪电电磁脉冲(LEMP)的识别率不能满足实际需求的问题，提出了一种基于小波包分形技术的识别方法。首先，对实测的NEMP和LEMP做插值、归一化等预处理；然后，基于小波包理论对预处理后的信号进行2层小波包分解，并利用小波包系数重构信号的分形维数，组成信号的特征向量；最后，采用最小二乘支持向量机(LSSVM)作为分类器，利用五折交叉验证法选取最优的模型参数，将特征向量输入分类器中进行训练后获得测试结果。实验结果表明，小波包分形方法在NEMP和LEMP的识别上效果显著，平均识别率达到99%以上，具有较高的应用价值。

• 液相等离子体及其在纳米材料制备中的应用

  芮立晨, 庞子宁, 李煊赫, 沈剑, 李青, 林良良,

  液相等离子体是冷等离子体的一个新分支，具有温度低、传质传热快、常压操作、反应活性高等特点。基于液相等离子体的过程强化技术在纳米材料制备、挥发性有机物降解、杀菌消毒、化学合成等领域有广泛的应用前景。以液相等离子体中纳米材料的制备为研究对象，介绍了反应体系可能存在的活性粒子、检测方法和反应机理；对常见的反应器结构进行归纳整理，按照放电是否在电解液内部进行将其分为非浸没式和浸没式液相等离子体两大类，并列举了几种典型的反应器结构；介绍了几类利用液相等离子体技术制备纳米材料的典例，并对该领域的研究现状做了总结；对该领域亟需解决的问题与发展方向进行讨论与展望。