强激光与粒子束杂志

强激光与粒子束杂志2023年第11期

• 光纤啁啾脉冲时域相干合成技术研究新进展

  刘必达, 黄智蒙, 张帆, 夏汉定, 周丹丹, 李剑彬, 郑钧文, 张锐, 李平, 彭志涛, 朱启华, 胡东霞,

  脉冲时域相干合成技术主要通过对功率放大后的高重频脉冲序列进行时序合成，从而降低激光的重复频率，有效地提升输出脉冲的峰值功率与能量，避免放大过程中高峰值功率引起的非线性效应。该技术与空域相干合成相结合，能够突破单纤激光的性能极限，实现高能量、高平均功率和高峰值功率的超短脉冲激光输出，具有广阔的应用前景。介绍了超短脉冲光纤激光时域相干合成的基本原理和关键技术，综述了时域相干合成系统的发展历程及其关键技术的研究现状，重点介绍了近年来脉冲分割放大与脉冲相干堆积技术的研究进展，并对时域相干合成的不同技术路线进行了分析与比较，最后对其未来的发展方向进行了梳理，为相关领域的研究提供参考。

• 大功率780 nm单管连续输出16 W和巴条连续输出180 W半导体激光器

  李弋, 王浩淼, 张亮, 贺钰雯, 周坤, 杜维川, 何林安, 胡耀, 武德勇, 高松信, 唐淳,

  设计并制备了780 nm大功率半导体激光器的单管和巴条。采用金属有机化学气相沉积技术制备的外延结构，分别使用GaAsP和GaInP作为量子阱和波导层，限制层是具有高带隙的AlGaInP材料。量子阱与波导层带隙0.15 eV，波导层与限制层带隙0.28 eV，抑制了载流子泄露。1.55 μm厚非对称大光学腔波导结构抑制快轴高阶模，同时缓解腔面损伤问题。为进一步提高腔面损伤阈值，利用超高真空解理和钝化技术，在腔面上沉积了非晶ZnSe钝化层。条宽150 μm、腔长4 mm的单管器件，在电流为15 A时，输出连续功率16.3 W未出现COD现象，斜率效率达到1.27 W/A，电光转换效率为58%，慢轴发散角9.9°，光谱半高宽为1.81 nm。填充因子为40%的厘米巴条，在192 A下实现连续输出功率180 W，电光转换效率为50.7%，光谱宽度仅为2.2 nm。

• 基于随机位相分布的液晶退偏器件设计与分析

  张雨琪, 汪玉琴, 陈丹, 张蓉竹,

  为了实现对不同偏振态入射激光的退偏控制，设计了一种具有随机位相分布结构的液晶退偏器。针对胆甾相液晶器件，利用时域有限差分法，对激光通过胆甾相液晶器件的传输问题建立了模型，并通过实验验证了理论模型，分析了激光通过液晶阵列单元后的偏振态变化及偏振态分布特性。仿真分析结果表明，在合适的液晶材料条件和微刻蚀坑的最大厚度条件下，胆甾相液晶器件对于不同偏振角的入射线偏振光均可以实现较好的退偏效果，且适用的谱宽范围较大。

• 基于激光诱导击穿光谱的基体效应

  姚胤旭, 邱荣, 万情, 杨怡, 史晋芳, 王慧丽, 周强,

  为分析和改善激光诱导击穿光谱技术（LIBS）在定量分析土壤和大米中镉（Cd）元素含量时基体效应对分析结果的影响，以Cd Ⅱ 226.502 nm谱线为分析对象，对比研究了基体种类、KCl质量分数和激发方式等对Cd Ⅱ 226.502 nm谱线强度和定量分析结果的影响规律。研究结果表明：基体主成分的化学形态和电离能是产生基体效应的主要因素，KCl作为添加剂能明显改善大米中Cd Ⅱ 226.502 nm的谱线强度，光电双脉冲激发能显著增强基体中Cd Ⅱ 226.502 nm的谱线强度、稳定性并提高信噪比。与单激光脉冲激发方式相比，在光电双脉冲激发下，SiO2、土壤和大米三种基体中Cd Ⅱ 226.502 nm的检测下限分别从372、332和2874 mg·kg−1降低到42、72和37 mg·kg−1。

• 有机氟酸蚀刻提高熔石英的抗激光损伤性能

  匙芳廷, 李啸宇, 李园利, 吕丽娜, 彭豪, 杜志远,

  熔石英元件的抗激光损伤性能对高能激光器的稳定运行具有重要意义。为了提升熔石英元件抗激光损伤性能，针对传统氢氟酸蚀刻产生再沉积物的缺点，提出了采用有机氟酸蚀刻提升熔石英元件抗激光损伤性能的方法。有机氟酸蚀刻的优势在于产物具有较好的溶解性，因而产生再沉积物的可能性降低。采用有机氟酸溶液静态蚀刻熔石英元件，并对元件的表面质量、透过率和激光损伤密度进行了表征分析。表面质量和透过率的结果一致显示熔石英元件经有机氟酸蚀刻后，元件表面的再沉积物和污垢较少，表明有机氟酸具有较好的抑制再沉积物生成的效果。激光损伤密度结果显示，有机氟酸蚀刻熔石英的深度为6 μm时，元件的平均激光损伤密度为0.26 cm−2，接近先进缓释处理2（AMP2）工艺的水平。基于有机氟酸蚀刻提高熔石英元件的抗激光损伤性能为激光负载能力的提升开辟了一条新途径。

• X光弯晶成像金属薄膜面密度测量技术

  司昊轩, 许昊, 杜慧瑶, 伊圣振, 王占山,

  针对靶用高Z金属薄膜的无损检测需求，提出了一种通过超环面弯晶聚焦型X光单能成像器件，实现金属薄膜均匀性及面密度等参数精确标定的测量技术。该技术即通过高通量、高单能性成像，定量获取薄膜X光透过率及其空间分布，有效提升了面密度测量的精度，同时实现了对其均匀性的高空间分辨评估。从总体方案设计、元器件制备和测试实验等方面开展了深入研究，并评估了各种可能因素对测量不确定度的影响。所发展的超环面弯晶成像系统针对20 keV级的高能X射线在mm尺度内实现了优于5 μm的微区分辨，能谱分辨达到几eV。通过泡沫金样品面密度测量实验证明了技术可行性，相对不确定度优于2%。研究结果为激光惯性约束聚变高Z靶材料的精密无损检测提供了一种新的测量技术，并有望应用于其他需要大视场、高空谱分辨成像的需求领域。

• 基于机器视觉方法的诊断设备自动瞄准技术

  夏立琼, 陈铭, 王鹏, 陈伯伦, 张兴, 魏惠月, 杨品, 李颖洁,

  激光惯性约束聚变实验需要使用数十台套诊断设备从不同方位对瞬态微尺度物理过程进行诊断表征。大部分诊断设备通常需要进入巨型靶室真空环境内，在厘米到米级的不同工作距离上，对聚变靶上面毫米到数十微米的靶标进行瞄准，大部分诊断设备的瞄准精度需要达到50 μm水平。双目瞄准方法是在真空环境下实现远距离高精度瞄准的一种重要方法，但目前主要依赖人工判读图像识别靶标和手动操作诊断搭载平台运动实现对靶瞄准，特别是靶室内照明条件或诊断设备瞄准视线存在夹角等条件会严重影响靶标识别效果，对诊断设备瞄准精度造成较大影响。发展了一种基于机器视觉的诊断自动瞄准方法，采用Mask R-CNN算法并以大量模拟瞄准图进行靶标识别训练，有效解决了靶标自动判读问题，对靶标识别误差控制在8个像素点以内；同时基于实验室瞄准测试平台开展了靶标像素偏差与瞄准坐标偏离关系的离线标定，开展了算法引导下的瞄准精度测试，根据测试结果预估指向瞄准精度优于30 μm、径向瞄准精度优于50 μm，对实现诊断设备的高精度自动瞄准有一定的基础参考价值。

• S波段径向注同轴槽振荡器

  王战亮, 王环宇, 何子远, 路志刚, 巩华荣, 王少萌, 宫玉彬,

  高功率微波器件在雷达、电子对抗等方面具有重要的应用潜力，因此得到广泛的关注。然而，庞大的体积和重量，以及较低的效率和较短的寿命，严重限制了高功率微波的应用范围。提出了一种径向电子注驱动的同轴槽振荡器，该振荡器无需聚焦系统，从而能够大幅度减少体积和耗能。采用由外向内的径向电子注，阴极电流密度低，可以采用热阴极替代爆炸发射阴极，从而提高器件寿命。PIC仿真中，采用460 kV，6 kA径向电子注能够在3.8 GHz产生1.2 GW的输出，对应效率43.5%。

• 空间行波管热子电流的周期性波动

  李延威, 尚新文, 肖刘, 赵建东, 李宁,

  针对空间行波管阴极预热过程中热子电流周期性波动的故障，建立热子等效电路估算了热子电流波动范围，采用激光测振频谱分析的手段测试了热子双螺旋结构的固有频率，进而完成了问题定位，对热子电流周期性波动进行了机理分析，阐明了热子电流发生周期性波动的条件，并提出了解决措施，同时从理论上定性分析了热子电流波动对空间行波管可靠性的影响，并通过试验验证了可靠性影响分析结论的正确性。

• CRAFT负离子源中性束注入系统400 keV加速器束流光学特性分析

  崔庆龙, 韦江龙, 谢亚红, 梁立振, 谢远来, 胡纯栋,

  负离子源中性束注入（NNBI）系统是聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）的组成部分，其目标是开展NNBI相关的科学与工程问题研究，为未来聚变堆NNBI系统的研制与运行积累经验。加速器的束流光学特性决定着最终形成束流的发散性，进而影响着束流在加速器和束线中的传输效率，这对NNBI系统的高功率、高能量、长脉冲运行至关重要。为此，采用IBSimu离子束流模拟程序对目前CRAFT NNBI的400 keV加速器电极系统的物理设计进行束流光学特性分析与评估。目前该套电极结构的设计与ITER负离子源类似，束发散的计算结果满足设计要求。在负离子束流密度较高时（100～300 A/m2范围内），具有更小束发散角；引出距离（5～7 mm范围内）和加速距离（88～110 mm范围内）的适当增加，也呈现出束发散角下降趋势。

• 相干渡越辐射束团纵向分布重建方法

  袁肖肖, 李佳, 闫文兵, 冉朝晖, 杨鑫, 赵全堂, 宗阳, 曹树春, 张子民,

  实验上通过相干渡越辐射（CTR）能谱分析法测量束团长度以及进行纵向束团形状重建已成为一种有效的束流诊断手段。通过迈克尔逊干涉仪测量太赫兹辐射能谱，通常实验所用探测器只能测量辐射的强度谱的幅值，且由于缺少相位无法直接进行束团形状重建。目前重建算法主要有Kramers-Kronig（K-K）相位分析法和代数迭代重建算法。利用这两种算法分别对高斯分布和带拖尾的高斯分布模型进行验证并进行了对比，其中K-K得出的重建结果存在一定的误差，迭代算法在解决重建反转歧义、重建噪声抑制等表现良好。同时利用这两种算法对兰州高能电子成像平台CTR实验结果进行了重建及分析，得出了对应的重建结果，为后续高能电子束成像平台的束流诊断反馈提供了一种参考手段。

• 高能同步辐射光源地面网测量方案及数据处理

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

  随着粒子加速器对束流的精确控制要求越来越高，对工程控制网的设计与测量提出了更高的要求，详细介绍了高能同步辐射光源（HEPS）工程测量首级地面控制网的布设及测量方案。地面控制网永久点标志布设于粒子加速器建筑隧道内，通过垂直通视孔与架设在线站大厅顶面的仪器铅锤对中，并形成平面互相通视的观测条件，实现了平面测站和坐标的联系传递；高程方向采用水平通视孔及门窗通视的方式实现水准测站和高程坐标的联系传递。由此构成了立体化通视与观测结构，这在国内同步辐射光源建设中有独特之处，有力保证了加速器轨道的精确控制。平面控制网分别采用GNSS控制网和全站仪边角网测量的方案，高程控制网采用室内隧道地面和室外地面水准测量的方案。在加速器隧道设备安装前进行了两次地面控制网测量，数据处理采用平面+高程的模式平差。经过不同测量方案的对比来验证测量过程的正确性，同时对比两次控制网的测量结果来验证可靠性。平均点位标准偏差为2 mm，反映测量成果的精确可靠，满足后续二级隧道控制网测量及设备安装准直需要。HEPS对永久控制点的稳定性提出了很高的要求，通过优化设计和特殊施工，在狭窄隧道空间内成功建设了超高、超细、高稳定的基岩隔空桩，为储存环构成了稳固的三维永久控制点，为长期监测束流轨道的稳定性提供了基准，为后续同步辐射光源建设提供了借鉴。

• 中国散裂中子源工程材料中子衍射谱仪尖嘴型中子准直光阑的研制

  王怀宝, 周良, 胡春明, 李小虎,

  中国散裂中子源（CSNS）工程材料中子衍射谱仪（EMD）的样品非常大，且形状各异，有些样品甚至是曲面的，中子准直光阑（狭缝）要靠近这些异形构件，需要设计成尖嘴型。狭缝的主要作用是给样品测试提供所需要的束流尺寸，并保证束流尺寸精度很高，束流没有太多杂散中子。工程材料中子衍射谱仪的尖嘴型狭缝为连续型，开口可以根据实验需求进行变化。狭缝采用双导轨结构，定位精度高，重复定位精度优于10 μm，绝对定位精度优于30 μm。狭缝刀片采用富集碳化硼，较大程度减小了刀片的厚度，可以有效降低狭缝悬臂结构的变形量，保证狭缝有足够长度的尖嘴，能够接近异形构件，特别能够深入到长管内部，提高了工程材料中子衍射谱仪的实验能力。狭缝采取双重安全设计：导轨互换系统和防撞结构，可以有效防止狭缝在使用过程中被大件样品撞坏。该狭缝已经应用到中国散裂中子源工程材料中子衍射谱仪的实验测试，为残余应力测量做出了重要贡献，它的应用为国内外尖嘴型狭缝的设计提供了非常重要的参考。

• 基于机器学习的束团横向相空间测量

  韩雨涛, 李任恺, 万唯实,

  理论上，使用断层扫描技术可以得到真实的横向相空间分布。但是想要更加精确地了解分布的细节，需要解决旋转角度范围受限和投影数目不足的问题。针对这两个问题，提出了在混合域处理的神经网络模型，即组合地在正弦域和断层域分别使用插值和去除伪影神经网络。在简单地测量束线以及投影数目比较少（7个）的情况下，该网络模型也能高质量地重建束团横向相空间分布。并且，由于选择旋转角度的方式和归一化相空间无关，因此，无需测量Twiss参数。采用该方法测量束团横向相空间，一定程度提升了重建质量，简化了测量的方式。

• 空心脉冲发电机剩磁能量回收方法

  张鹏, 李海涛, 胡长勇, 孔令硕,

  为了降低空心脉冲发电机的能量损耗与励磁绕组发热，提出了一种具有剩余磁能回收功能的脉冲发电机励磁电路。通过在电容支路设置调节电感，使放电完成后的电容电压反向，迫使晶闸管与二极管关断，以切换电流流通路径来实现剩余励磁能量到电容器中的转移。该电路使用晶闸管作为主开关，电流关断能力强的特点使其在大功率脉冲发电机的应用中具有一定优势。对提出的励磁能量回收电路的工作过程进行了介绍，仿真分析了剩余能量回收对励磁绕组能量损耗和脉冲发电机发热的影响，并对该电路拓扑的工作原理进行了实验验证。结果表明：该电路可以迅速回收励磁绕组中的剩余能量，缩短励磁电流续流时间，减少励磁损耗与能量损耗。仿真与实验结果反映的规律与电路原理一致，表明了该电路方法的可行性。

• 微管壳式换热器在能量转换循环中的应用

  高娇, 丁文杰, 黄洪文, 郭海兵, 马纪敏, 王少华,

  目前，超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿循环普遍采用印刷电路板换热器（PCHE）来保证其相对其他能量转换循环的紧凑性优势。PCHE芯体为整体结构，若内部出现泄漏或结垢等问题，很难进行维护与检修。本文提出了一种微管壳式换热器（MSTE），其结构与传统管壳式换热器类似，但其管径缩小至微通道级。由于MSTE的流道横截面积占总截面积之比较PCHE大，在典型的回热器与冷却器设计工况下，相对PCHE而言，采用MSTE可将体积与质量均减小30%以上。灵敏性分析结果显示，采用本文设计的MSTE结构的回热器与冷却器，回热器冷热流道入口温度升高20 ℃左右，压缩机入口温度变化均不超过1 ℃，说明该种结构换热器的换热能力足够支撑能量转换循环的一般工况波动。

• 小型氦氙冷却移动式反应堆堆芯设计优化分析

  刘欣悦, 管超然, 邓蛟龙, 柴翔, 何东豪, 刘晓晶,

  小型移动式核反应堆电源能为偏远地区、事故应急等场景提供所需的电能和热能，而堆芯的轻量化和小型化是小型移动式核反应堆电源的设计重点。由此，基于前期概念设计，本研究提出了一个高可靠、长寿命的小型氦氙冷却固体核反应堆堆芯设计及其反应性控制方案。首先，在综合考虑反应堆寿命以及热工安全设计等限制条件的基础上，使用蒙特卡罗程序OpenMC进行了堆芯几何优化分析，得到了堆芯质量最小化的设计方案。其次，分析了含可燃毒物的布置优化方案，通过在堆芯靠近反射层附近的燃料棒中添加2%质量分数的可燃毒物Gd2O3，寿期初径向功率峰因子从2.22降低至1.43。最后，基于分层分块滑移反射层的反应性与功率控制方法，提出了反应性线性控制方案，该方案还可以保证事故情况下的反应堆安全。相关结果可为小型移动式核反应堆电源的堆芯设计及反应性控制提供参考。

• 压水堆不同燃耗完整和破损棒燃料芯块氧化特征拉曼光谱研究

  王华才, 程焕林, 宋武林, 郭丽娜, 汤琪, 杨启法,

  为研究压水堆不同燃耗完整和破损燃料棒燃料芯块氧化过程和物相变化，采用拉曼光谱分析技术对燃耗为14 GW·d·t−1和45 GW·d·t−1的完整燃料棒及燃耗为14 GW·d·t−1和41 GW·d·t−1的破损燃料棒燃料芯块的氧化特征进行了分析。结果表明：14 GW·d·t−1和45 GW·d·t−1的完整燃料棒燃料芯块由UO2、U4O9和U3O8组成，相比于燃料芯块的内部区域，芯块边缘显示出更强的氧化性；14 GW·d·t−1和41 GW·d·t−1破损燃料棒燃料芯块发生了重结构，形成柱状晶粒，主要物相为UO2和U3O8。燃耗的加深和燃料棒的破损均促进了燃料芯块的氧化过程，但并不会改变燃料芯块的主要相结构。

• 取消次级中子源对压水堆氚源项的影响分析

  王奇,

  在压水堆正常运行期间，氚贡献了压水堆液相流出物总活度的95%以上，是反应堆设计和运行中的关键放射性核素之一。通过对美国在运的8台堆芯设计非常相似的机组2000至2019年期间氚排放数据进行较为深度的数据清洗和分析研究，得出采用不锈钢包壳的Sb-Be次级中子源的氚释放是压水堆机组氚源项的重要来源之一，统计机组中次级中子源产氚贡献平均为7.5 TBq·a−1，结合理论计算，符合当前包壳材料发展和运行管理水平下的渗透比例10%～20%。取消次级中子源约可以降低20%的因氚排放造成的公众剂量，还可以降低氚源项对厂址规划机组数量的制约。此外，研究还发现，氚排放量的显著波动受到液态集中排放的显著影响，特别是在美国压水堆大修之前或期间，这将有助于优化未来机组放射性排放管理。

• 甲基胺溴化铅晶体粉末的温度依赖光致发光

  于海龙, 吴文智,

  采用稳态光致发光(PL)光谱技术，结合光谱学分析方法，对CH3NH3PbBr3(MAPbBr3)晶体粉末的功率密度和温度相关的光物理特性进行了研究。在405 nm连续激光激发下，PL发射峰位在560 nm，半高全宽为123 meV。光谱实验结果表明，通过对功率密度与PL强度进行拟合，其斜率为1.10，这很好地证明了单光子吸收的存在。在80～310 K温度范围内，MAPbBr3晶体粉末的荧光峰位表现出不同的温度依赖行为。随着温度的升高，激子-声子相互作用的增强，峰宽均匀展宽，积分强度逐渐减小。PL发射峰位在80～145 K出现蓝移。在150 K附近PL发射峰出现跳跃，而当温度超过150 K时，光谱的峰位几乎保持不变。这些温度相关的PL行为主要是由于在150 K左右发生了从正交相到四方相的结构相变。此外，从温度相关的PL实验数据拟合得到激子结合能约为49.8 meV和纵向光学声子能量约为60.4 meV。

• 脉冲中子闪烁探测器的工程可靠性设计与提升

  马烈华, 陈爽, 李洪涛, 彭旭升, 张波涛, 李波, 王城, 艾杰,

  针对一种在复杂环境条件下进行脉冲中子探测的闪烁探测器，开展了一系列的可靠性设计、保证工作。在设计上通过双通道冗余备份、抗振设计等方式提升了探测器的固有可靠性。此外还采取可靠性建模及指标分配的方式明确了探测器各部件的任务可靠性目标，通过FMECA分析方法研究了探测器各部件的故障模式及其影响，确定了可靠性重要部件。通过运用环境应力筛选试验及可靠性强化试验，进一步提升了探测器的可靠性。经初步验证，采取上述可靠性设计保障技术的脉冲中子探测器，其任务可靠度可达到99.9%以上。