强激光与粒子束杂志

强激光与粒子束杂志2023年第2期

• LD直接泵浦全光纤激光器输出功率突破20 kW

  奚小明, 杨保来, 张汉伟, 潘志勇, 黄良金, 王鹏, 杨欢, 史尘, 闫志平, 陈子伦, 王小林, 韩凯, 王泽锋, 周朴, 许晓军,

  高功率光纤激光器具有高效率、小体积、低成本、抗回光能力强等突出优点，在工业加工等应用领域中具有明显的竞争优势。近期，国防科技大学基于光纤耦合半导体激光器（LD）直接泵浦的主振荡功率放大器（MOPA）实现了单纤20.27 kW的功率输出。放大器采用纯后向泵浦方案，中心波长1080 nm，光光效率达到84.8%，拉曼散射抑制比大于50 dB。通过优化光纤和器件的设计，可进一步提升激光器的功率和光束质量。

• 强激光驱动线圈靶磁场产生及应用研究进展

  原晓霞, 周沧涛, 张华, 吴思忠, 陈鹏, 滕建, 张博, 仲佳勇,

  介绍了以强激光驱动电容线圈靶的实验方法产生磁场的基本模型及其发展过程。对比了实验室中常用的三种磁场诊断方法，包含：B-dot、法拉第旋转以及质子背光，发现前两种方法在实验中仅可以获得距离靶较远处的有限个磁场值，通过结合模拟工具获得靶处的磁场值与测量点的值跨越几个数量级，容易产生误差；质子背光诊断可以在实验中获得全局磁场信息，能够较好地满足线圈靶磁场诊断的需求。由于线圈靶磁场强且可持续时间长，在时空分布上具有一定可控性，因此我们将其应用到了磁重联的研究中，并成功获得了重联出流等特征。另外线圈靶在带电粒子的约束和磁流体动力学研究等多方面也得到了应用。

• 红外探测系统的激光辐照热效应仿真分析

  袁磊, 王毕艺, 罗超, 郦文忠, 冉均均, 柳建,

  为研究红外探测系统受激光辐照后的热效应与二次热辐射对探测器成像的影响，使用Ansys软件对红外探测器进行热辐射仿真和有限元结构仿真；采用黑体辐射定律和DO辐射计算模型模拟计算探测器内光学系统在不同激光辐照度下的温度随时间变化情况以及探测器内部温升对靶面成像的二次热辐射干扰情况；采用热弹性力学模型仿真计算探测器内部的热应力和热变形情况。结果表明：探测器受到1.06 μm激光照射，矫正镜激光辐照度在50 W/cm2时，靶面受到二次热辐照度在0.6 s时达到100 μW/cm2的量级，使红外探测器达到饱和；探测器受激光辐照后系统最高温度出现在矫正镜中心处，拟合得到系统最高温度与受照时间函数关系，可预测探测器升温结构破坏；最大热变形出现在矫正镜背面中心处，由外向内形成不等附加光程差，干扰探测器的成像效果；最大热应力出现在矫正镜前面中心处，得到最大热应力与激光辐照度间的线性关系曲线，为矫正镜热应力破坏提供预测参数。

• 激光加速质子束空间电荷力研究

  朱军高, 赵媛, 赖美福, 古永力, 徐世祥, 周沧涛, 卢海洋,

  激光加速器可以输出具有独特品质的质子束，例如µm尺寸、ps脉冲长度和高峰值电流。强流粒子束的空间电荷力效应较强，对面向应用的束流传输提出了挑战。通过二维PIC模拟研究了激光加速后与质子速度接近的电子的影响。采用椭球模型估算空间电荷力的影响，比较不同电荷分布的差异。结果表明每束团质子数超过1010后空间电荷力显著影响质子束传输，甚至严重破坏束流品质。空间电荷力的影响在20 ps后显著减弱，离开靶约1.2 mm。

• 7～8 MA条件下MagLIF集成实验关键问题理论研究与设计

  肖德龙, 王小光, 王冠琼, 毛重阳, 孙顺凯,

  针对国内7～8 MA脉冲功率装置驱动条件，通过耦合等效电路模型和McBride等人发展的半解析模型，研究了MagLIF总体能量学过程及中子产额随关键参数的变化规律，获得了中子产额大于1010的参数设计区间。结果表明：7～8 MA驱动条件、套筒材料、负载高度、燃料半径与密度、预热能量、外加轴向磁场等多因素共同决定了燃料的最终压缩状态；预热能量越大，燃料初始升温以及滞止时刻升温越高，中子产额越高；轴向磁场增加，热传导能量损失减小，但燃料收缩比也会减小，因此存在优化轴向磁场以获得较高中子产额；杂质质量分数超过10%，中子产额开始显著下降。燃料密度0.7 mg/cm3、外加轴向磁场27 T、预热能量200 J、杂质质量分数小于50%的条件下，可以获得3.5×1010中子产额，从而有望在7～8 MA条件下建立MagLIF关键问题研究平台。

• 105/140 GHz双频兆瓦回旋管实现1.0 MW脉冲输出

  胡林林, 孙迪敏, 黄麒力, 卓婷婷, 龚胜刚, 胡鹏, 蒋艺, 马国武, 陈洪斌, 马弘舸,

  报道了聚变应用的MW级双频（105/140 GHz）回旋管的最新实验进展。该回旋管的谐振腔、准光模式变换器、输出窗采用了双频共用的设计，电子枪采用了双频复用的双阳极磁控注入枪，收集极采用单极降压。最新的实验表明：在重频1 Hz短脉冲条件下，在105 GHz点和140 GHz点，测试得到脉冲功率分别为710 kW和1.057 MW，对应总效率分别为34%和49%。这是国内首次在回旋管实验中实现1.0 MW功率输出。

• 无人机定位系统辐照干扰失效全过程与机理分析

  余道杰, 贺凯, 郭柏森, 雷顺天, 柴梦娟, 王东, 田周泰,

  定位系统是无人机核心单元中的电磁敏感环节，是无人机电磁防护的重点部位。为了分析电磁干扰效应机理与失效过程，以典型自组装无人机定位系统为目标，通过电磁拓扑模型分析干扰耦合方式，分析不同耦合路径下辐照干扰耦合机理和作用机制。采用GPS增强转发系统在电波暗室内为无人机系统提供正常动态工作环境，并依据标准开展微波辐照干扰效应试验，通过无人机系统固件中的日志记录功能，结合地面站监测实时状态，实现无人机定位系统电磁干扰效应全过程动态特征数据记录与故障机理分析。试验结果表明：无人机接收天线耦合干扰主要发生在定位系统最大接收带宽（200 MHz）之内；线缆耦合干扰主要在1 GHz以下的频段内且在171 MHz和511 MHz附近达到最大值；PCB电路耦合干扰主要在1.24 GHz以上频段，耦合电压波动性随着干扰信号频率增加而变强。

• 轨道电路系统长钢轨电容补偿电磁脉冲耦合效应

  杨轶轩, 高志伟, 吴腾, 叶志红,

  结合时域有限差分（FDTD）方法、传输线方程和长钢轨激励场快速计算方法，研究了一种高效的时域混合算法，实现长钢轨电容补偿电磁脉冲耦合效应的时域快速计算。首先，为避免对钢轨不规则结构的直接建模，根据趋肤效应，将钢轨等效为管状导体模型并提取对应的单位长度分布参数。然后，根据长钢轨激励场快速计算方法，快速计算长钢轨沿线电场分布，并结合传输线方程构建钢轨等效圆柱模型与补偿电容一体化的电磁耦合模型。最后，使用FDTD方法求解传输线方程，获取钢轨沿线各点的电磁脉冲耦合响应。研究结果表明，钢轨耦合电流波形不断展宽，但是峰值随长度增加到一定值后达到饱和状态，此结论可为轨道电路系统电磁防护设计提供重要的数据支撑。

• 宽带高抑制性能电磁脉冲防护电路设计与实验

  张景淇, 秦风, 高原, 钟受洪, 王震,

  强电磁脉冲易通过天线、孔缝、线缆等多种耦合途径进入电子系统内部，造成敏感电子设备出现短暂故障或永久损毁。安装电磁脉冲防护电路可有效提高电子设备抗强电磁脉冲能力。基于LC选频网络和瞬态电压抑制（TVS）二极管，设计了一种宽带高抑制性能电磁脉冲防护电路，防护电路工作带宽超过2 GHz、插入损耗低于0.6 dB。系统性研究了防护电路对频谱分布在工作带宽内多种电磁脉冲（方波脉冲、宽带高功率微波、窄带高功率微波）的防护能力。结果表明：防护电路对不同类型电磁脉冲电压抑制比大于40 dB、耐受功率超过387 kW、而响应时间仅0.7 ns。该防护电路具有工作频带宽、电磁抑制性能好、响应速度快、耐受功率高等特点，对电子信息系统电磁防护加固具有重要意义。

• 高频电磁干扰对传输线耦合全波建模方法

  杜子韦华, 张晓琴, 朱洪斌, 肖鹏, 余翔, 谢彦召,

  对于场线耦合问题，经典传输线理论不适用于求解高频电磁干扰辐照下传输线负载上的电压和电流响应。针对这一问题，首先介绍了一种基于天线理论和模拟行为建模（ABM）的时域全波建模方法。该方法利用Harrington矩量法将电流积分方程离散并推导得到宏模型时域表达式，然后利用ABM频域功能实现频变参数的傅里叶逆变换和时域卷积计算。利用电路求解器，该建模方法可直接求解任意结构传输线耦合的负载处瞬态响应；与传统全波算法相比，模型一旦建立便可应用于任意入射场和线性/非线性负载的情况，无需重复耗时地求解电流积分方程。该方法可简化全波算法求解过程，提高仿真计算效率，尤其便于在入射场和负载存在不确定参数时进行高效重复抽样计算以获得统计特性。然后以高频电磁干扰耦合有损大地上的双导体传输线为例，通过与数值电磁代码和传统传输线理论方法的求解结果对比，验证了所提宏模型的有效性以及传输线理论在解决场线耦合问题时的局限性。结果表明，基于全波方法构建的宏模型可在时域内高效准确地求解高频电磁干扰辐照下任意形状传输线负载上的瞬态响应。

• 一种紧凑型宽带高功率微波源设计与测试研究

  张帆, 田川, 马世川, 解江远, 金兆鑫, 荆晓鹏,

  设计了一款体积紧凑、工作在特高频波段的宽带高功率微波源，系统利用24 V蓄电池供电，Marx 发生器作为驱动源，采用四分之一波长开关振荡器调制产生宽带电磁脉冲，激励高功率微带平板天线辐射，测试结果显示系统工作中心频率为425 MHz，远场辐射场强-距离积峰峰值为91.5 kV@1 m，该微波源体积尺寸为871 mm×370 mm×330 mm，含电池质量小于43 kg，拓展了宽带高功率微波技术在无人机、机器人等平台的应用前景。

• 一种辐射零点可控的紧凑型滤波贴片天线

  马敬伟, 周东方, 张毅, 吕大龙,

  提出了一种辐射零点可控的紧凑型滤波贴片天线。该滤波天线以基本的微带贴片天线为原型，主要由一个简单的金属辐射贴片和两个对称的分割形槽组成。两个分割形槽蚀刻在金属贴片上，使得高/低频段分别产生两个宽边辐射零点，从而引入滤波选频功能。该结构未引入额外滤波电路和其他寄生单元，节省了空间尺寸，结构更加紧凑；两个辐射零点独立可控，提高了设计的灵活度。且在实现滤波选频功能的同时，对天线增益的影响很小。利用HFSS仿真软件优化滤波天线结构，制作了一个实物模型并进行了测试。测试结果与仿真结果基本一致。测试结果表明，提出的滤波天线工作在2.40 GHz，两个独立可控的辐射零点分别位于1.96 GHz和2.66 GHz，平均实际增益约为7.0 dBi，带外抑制水平超过39 dB。

• 铁磁性加载复合管壳电子注聚焦性能的研究

  刘洋, 魏义学, 史雪春, 费娜, 邱立, 王严梅,

  大功率行波管通常利用复合管壳提升高频系统的集成度和散热特性。宽带行波管采用复合管壳高频制造工艺时，由于加载翼片含有铁磁性材料（纯铁）使得聚焦系统的横向磁场分量变大，径向和角向磁场分量呈非均匀性，电子注聚焦困难。本文研究了周期永磁聚焦系统横向磁场产生的原因并建立理论模型，并对磁场分量和其对电子注形态的影响进行了仿真，仿真结果与理论计算结果一致。根据横向磁场分布模型对加载翼片的形状和数量进行优化仿真，结果表明9片齿形加载翼片方案可在保持慢波电路参数的同时，降低聚焦系统的横向磁场分量，改善电子注聚焦效果。

• 束流轨道快校正磁铁电源研究进展

  邵琢瑕, 高辉, 张海燕, 胡保进,

  快校正磁铁电源能够对束流轨道的偏离进行快速校正，提升同步辐射光源运行的可靠性。随着第四代衍射极限储存环（DLSR）光源品质的进一步提高，为了保证束流轨道的稳定性，快速轨道反馈（FOFB）系统对校正磁铁电源的性能也提出了更高的要求。针对先进同步辐射光源FOFB系统对快校正磁铁电源的需求，将目前国内外第四代同步辐射光源束流轨道快速校正磁铁电源的研究成果分为线性电源和开关电源两类，对各方案的拓扑结构、控制策略以及性能参数的特点等进行了简要对比分析，可以看出目前国内外正在研制的快校正磁铁电源响应带宽基本可以达到5 kHz甚至10 kHz水平，线性电源的低纹波噪声特性具备应用优势但需要关注效率低的问题；开关电源方案具有高效、模块化等特点，如果可以有效解决纹波噪声问题，将会更广泛地应用在快校正磁铁电源的设计中。

• 1.5 T磁感应强度水冷式螺线管线圈结构设计及仿真研究

  叶毅, 龙全红, 廖树清, 刘云龙, 李铭玮,

  介绍T量级水冷式螺线管线圈的结构设计及仿真研究工作。采用多层水冷结构设计，对不同温升导致的变形量进行计算并校核，最后利用POISSON程序对线圈磁场进行仿真计算。计算表明：最大温升60 ℃时，整个结构变形量小于0.07 mm，即探头相对位置变化量可小于0.1 mm；96.6 A电流加载时，中心区最大磁感应强度为1.5 T；0.01%精度轴向磁场宽度为40 mm，0.1%精度轴向磁场宽度为140 mm。从仿真结果来看，设计的水冷式螺线管线圈可满足磁场探头校准测量要求。

• 中国散裂中子源RCS注入区H0CT测量系统研制

  邱瑞阳, 黄蔚玲, 曾磊, 徐智虹, 李芳, 孟鸣, 杨涛, 王安鑫, 刘孟宇, 孙纪磊, 徐韬光,

  中国散裂中子源的强流质子加速器采用剥离注入的方式，碳膜将H−剥离两个电子后变成质子，多圈涂抹注入到快循环同步环加速中，并加速至1.6 GeV。为了精确测量剥离膜的剥离效率并研究不同厚度剥离膜的使用寿命，在I-Dump束线上新研发并安装了一套束流流强探测器（H0CT），用于测量未完全剥离的H−和H0（H−被剥离一个电子）粒子。为了测量μA级束流，H0CT弱流强测量系统的研制考虑了外部干扰，配合探头、线缆及电子学低噪声的抗干扰设计，将环境噪声及干扰的影响降至最低，提高信噪比，实现了μA级脉冲电流的测量。

• CFQS装置准环对称测试用磁体电源系统设计

  熊健, 刘海, 宣伟民, 许宇鸿,

  CFQS 装置是中国西南交通大学（SWJTU）和日本国家核融合科学研究所（NIFS）联合设计制造的中国首台准环对称仿星器，为满足装置0.1 T稳态运行的实验要求，需要为其磁体线圈设计相应的电源系统。本设计方案考虑工程实际估算线路阻抗，考虑工程裕度、电源以负载参数的1.2倍进行计算，并建立电源系统的Simulink仿真模型，分析负载电流纹波大小及网侧谐波含量。根据仿真结果优化设计方案，通过在直流侧增加无源滤波器，减小输出电流纹波，分析直流侧电压代数形式，计算滤波器参数，并仿真调节得到更加符合实际需求的滤波器参数，满足装置准环对称位形的分布磁场精度对磁体线圈电流纹波的要求。

• 测量微秒量级脉宽方波信号的电容分压器

  卫兵, 李勇, 康军军, 郭帆, 周良骥,

  为了解决测量脉宽达到μs量级的方波信号的平顶衰落问题，设计了改进的双端匹配电容分压器。对采取双端匹配方式的电容分压器进行了频域和时域仿真。仿真结果表明，双端匹配方式的中频段幅频特性不平坦，方波响应波形也存在过冲。通过仿真计算调整了始端电阻以及对应的末端电容，实现了双端匹配方式的优化设计。实验结果表明：当低压臂电容为2 nF的情况下，使用电长度为50 ns的电缆的改进双端匹配电容分压器可以得到过冲小于2%，无平顶衰落的波形。

• 回流罩结构Z-箍缩实验的数值模拟

  阚明先, 贾月松, 张南川, 傅贞, 章征伟,

  采用二维磁驱动数值模拟程序（MDSC2）对大电流脉冲功率装置FP-2上的回流罩结构Z-箍缩实验exp90和exp60进行了数值模拟。数值模拟表明，回流罩结构Z-箍缩实验测量电流/回路电流不是负载套筒电流，回流罩结构Z-箍缩实验中回路电流不完全从负载套筒通过，回路电流和负载套筒电流之间存在一个结构系数，提出了边界磁场强度与回路电流关系的新公式。采用具有结构系数的边界磁场强度公式和磁流体力学程序能正确模拟exp90和exp60两个回流罩结构Z-箍缩实验，模拟的套筒内径运动速度和实验测量速度相一致。回流罩结构Z-箍缩实验的结构系数为一常数，仅由回流罩的初始结构确定。90 mm和60 mm内直径套筒的结构系数分别为0.87和0.90。在套筒初始厚度、绝缘材料等其它条件相同的情况下，套筒内径越大，回流罩结构Z-箍缩实验的结构系数越小。

• 分布电感对脉冲电源充电T型保护回路的影响

  王毅, 黄凯, 苏子舟, 王遂, 闫杰,

  在使用基于高频开关变换充电技术的充电机对脉冲电源充电时，由于充电回路中分布电感的存在，在高频电流充电过程中，会在充电机T型保护回路两端产生高于充电电压的过电压，存在损坏T型保护回路半导体功率器件的风险；为解决此问题建立充电机及脉冲电源回路仿真模型，通过仿真分析得到充电回路分布感变化对T型保护回路影响的初步规律，然后通过实验进一步验证该规律。为了减少充电回路分布电感对T型保护回路影响，针对性地提出了减少充电回路的分布电感解决方案，主要方法是改变输出线缆类型、长度等措施，并通过仿真与实验来验证该方案的有效性，为脉冲电源工程化应用提供可靠的参考依据。

• 20 kV高压脉冲幅度校准装置设计

  龙国浩, 袁汉, 何鹏, 郭晓东, 王凌云,

  针对高压脉冲幅度的量值传递需求，开展了脉冲幅度1～20 kV、脉宽1～100 μs的高压脉冲幅度校准装置设计。校准装置以高压MOSFET器件为核心，搭建多级Marx结构实现高压脉冲成型，同时通过截尾回路的设计缩短脉冲下降时间，实现矩形脉冲波形的输出。在Marx结构基础上开展装置整体设计，通过触发脉冲信号及高压直流电源电压调节脉宽与幅度，通过隔离电源及光信号保证了高压隔离强度。装置采用高准确度高压探头和数据采集卡构成校准装置的内部测试系统，其测量值作为校准装置的标准量值，经评定装置脉冲幅度不确定度为2%，并通过两台比对法进行了验证。采用其他多型高压探头对校准装置进行实验测试，结果表明与低压脉冲校准源测试相比，高压脉冲可明显有效地表征高压探头的性能及测量准确度，同时本装置也可作为高压脉冲发生器应用于脉冲功率领域其他用途。

• 紧凑型高功率亚纳秒脉冲压缩装置的设计研制

  王翔宇, 卢彦雷, 朱郁丰, 方旭, 乔汉青, 张兴家,

  分析了三传输线型脉冲压缩装置的原理，从提高功率增益和小型化角度，在脉冲压缩装置中设计了一种3起端并联绕线的内置型高阻螺旋线结构。建立电路仿真模型和三维结构电磁场仿真模型，分析了高阻螺旋线特征参数对功率增益的影响。根据优化后的结果研制出紧凑型高功率亚纳秒脉冲压缩装置，经测试，前级输入脉冲宽度8 ns，功率1 GW时，输出脉冲宽度1.5 ns，功率3.7 GW，功率增益3.7。经过30万次运行考核，装置内部无滑闪和击穿现象，验证了设计可靠性。

• 低能电子穿越绝缘体微孔膜动力学过程研究

  周鹏, 万城亮, 袁华, 程紫东, 李鹏飞, 张浩文, 崔莹, 张红强, 陈熙萌,

  采用二维位置灵敏的微通道板探测器对能量为1500 eV的低能电子束穿过孔径为400 nm、未经照射过的的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)微孔膜后的全角分布以及时间演化进行了测量，同时采用自制的积分式能谱测量装置测量了穿透电子的能量分布。实验结果表明：在充电阶段，当入射电子束束流较弱时，透射电子强度随充电时间逐渐上升；充电过程中，透射电子的角分布宽度由小变大，但是角分布中心基本不随膜的倾角移动。对出射电子达到平衡态时的电子能谱的测量表明，穿透电子的能量保持着入射时的能量。对于理解电子在绝缘体微孔中的传输给出了新的实验证据，给出了可能形成“导向效应”的微孔内部电场的条件。

• 基于消失点检测算法的束靶红外图像畸变校正

  陈丽萍, 许永建, 於子辰, 汪日新, 彭旭峰, 徐益臻, 于玲,

  传统的霍夫变换、Cannylines直线检测算法、霍夫概率变换方法在图像上的直线检测效果不佳，存在检测线段不连续不正确的问题，因而，利用Sobel滤波对红外图像横轴和纵轴两个方向分别进行锐化，通过线段检测（LSD）算法实现线段特征检测，进而经线段聚类拟合获得图像中完整的直线，通过对直线交点计算获得消失点，最后依据透视关系计算得到校正图像。实验结果表明，该方法可以实现对中性束红外图像的自动有效校正。

• 脉冲电场防治水生生物附着

  刘楠, 刘毅, 李柳霞, 丁悦, 林福昌, 许元钊, 赵伟华,

  为探究脉冲电场对防治水生生物附着效果的影响因素，确定有效防治附着生物所需的最低电场条件，搭建了脉冲电场试验平台，通过人工脉冲形成线产生近似方波的脉冲，统计不同条件下大型溞死亡率和形态结构发生的变化，通过函数拟合得到了脉冲电场诱导死亡率与电场强度、总等效处理时间、脉冲注入能量密度之间的函数关系，并以某干渠工程为例介绍了脉冲电场防治大型溞的参数选取原则和平台搭建方法。结果表明，脉冲电场对大型溞的处理效果与电场强度、总等效处理时间和脉冲注入能量密度都呈正相关关系。电场强度介于0.5～1.5 kV/cm之间时，电场强度每增加0.5 kV/cm，诱导死亡率增加35%左右。电场强度高于2.0 kV/cm、总等效处理时间大于900 μs或脉冲注入能量密度高于80 J/L时，脉冲电场都可以产生80%以上的诱导死亡率。