强激光与粒子束杂志

强激光与粒子束杂志2024年第10期

• 第1.5代“三高一优”YDF特种激光光纤

  俞娟, 倪力, 彭昆, 向恒, 冷晓晓, 林傲祥,

  面向高端特种光纤激光器研制需求，突破限制光纤激光器系统功率输出和性能提升的技术瓶颈，中国工程物理研究院化工材料研究所高功率光纤激光技术所地联合创新中心团队采用模式裁剪制备工艺技术，率先推出了国内首创、特别适合976 nm-LD端面泵浦方式（976技术路线）的第1.5代YDF特种激光光纤，有效提升了光纤激光系统的模式不稳定阈值（TMI），显著优化了激光输出的光束质量。相对于目前普遍使用的第1.0代铝磷硅三元体系光纤（Yb-APS），第1.5代YDF特种激光光纤的激光功率提升约20%，光束质量M2优化约20%，集中展现了高功率、高效率、高TMI阈值、M2优化的“三高一优”的技术特点，可供工业市场高端客户选择和强激光技术领域应用。

• 可见光条纹相机二维非线性快速标定技术

  黄展常, 张成俊, 杨建伦, 陈法新, 尤文豪, 王东明, 陈进川, 杨高照, 谢红卫, 何超,

  为了解决百ns级可见光条纹相机时空非线性标定需求，提出了通过构建一个时空二维分布的等间距标准光场快速标定条纹相机二维非线性的设想。通过序列脉冲光构造技术获得时间维度间距相等的参考点；通过光场空间调制技术获得空间维度间距相等的参考点。分析了序列脉冲光和光学系统的设计准则，基于该准则研制了一套可见光条纹相机二维非线性快速标定系统。该系统的时间分辨可达0.1 ns、空间分辨小于90 μm。基于该系统，通过单次扫描成像高效标定了国产某型条纹相机的扫描非线性、时间弥散、时间畸变和几何像差等非线性信息。此外，利用该系统对不同电路的扫描非线性进行了分析验证。该标定系统快速验证了双边扫描电路有利于优化扫描非线性。分析验证结果表明，该标定技术通过单次扫描即可对条纹相机的非线性参数进行标定。

• 用于高功率微波系统的全介质透镜阵列天线

  张峰, 卢佩, 赵加宁, 杨若洋, 陈俊达,

  为了实现透镜阵列天线所需的移相范围，设计了两种不同的单元结构，通过优化参数，在保证良好的传输幅值的基础上实现相移范围的互补。为了探索在高功率微波系统应用，对两种单元的功率容量也开展了详细研究。在无限周期情况下，随着单元尺寸变化，单元功率容量范围为1.08～19.37 MW；通过研制口径为315 mm×315 mm的透镜天线来构建有限周期条件，并仿真计算得到该天线最大功率容量为226.553 MW，功率密度可以达到2283.23 W/mm2，并且该天线在中心频点10 GHz处峰值增益可达到29.37 dBi，口径效率为62.43%，副瓣电平约为−21.54 dBi。结果表明所提出单元的有效性与正确性，也说明设计的透镜阵列天线不仅具有良好的辐射特性，同时具有MW量级的功率容量。

• 高功率高效率速调管输出耦合器的优化与设计

  陆志军, 周祖圣, 肖欧正, 李晓,

  输出耦合器作为速调管关键部件，其性能直接关系到速调管的整体表现。然而，耦合器故障却是速调管及多种真空电子设备中最为常见的问题之一，特别是在高连续波功率运行场景下，这一问题更为突出。针对连续波650 MHz/800 kW高效率速调管，对输出耦合器进行优化设计，并在单注和多注速调管耦合器测试方面取得了重要突破：单注速调管输出耦合器在连续波模式下的测试功率已达到690 kW以上，为了进一步增加功率容量，采用T-bar结构过渡，并对耦合器进行优化设计，使陶瓷附近电场分布更均匀；而多注速调管矩形波导窗输出耦合器最高测试功率达到全驻波115 kW。此外，通过对耦合器的结构、材料以及散热方式进行分析与优化，积极探索提升耦合器功率容量的多种可能途径，进一步增强了速调管的稳定性和可靠性。

• 热辐射对行波管阴极温度的影响

  李延威, 李飞, 尚新文, 肖刘, 赵建东, 易红霞, 舟婕, 张明晨, 史永康,

  由于行波管工作时无法直接测量阴极温度，目前主要通过组件测温和电子枪热仿真确定阴极工作温度。热辐射不仅是电子枪热量传递的主要途径之一，也是产生热损耗的主要因素，因而热辐射是电子枪热分析不可忽略的因素。对热损耗进行了定量分析，考虑了接触热阻和热损耗，建立了全面的热辐射边界，对阴极-热屏组件进行热仿真，通过调整零件表面发射率拟合了阴极-热屏组件测温实验数据曲线，得到了行波管电子枪高温区域零件表面的发射率，分析了热损耗、零件表面发射率对阴极温度的影响，并通过电子枪热平衡实验验证了所得发射率数值的正确性，进而得到了更准确的电子枪温度分布云图。研究表明，阴极温度950～1100 ℃时其表面发射率为0.65；电子枪零件表面发射率越大，阴极温度越低，阴极筒表面发射率对阴极温度影响最大；温度越高热子热损耗越大，不考虑热损耗仿真得到的阴极表面温度偏高14.4～17.5 ℃；组件测温得到的阴极表面温度比整管时高42～62 ℃。

• 速调管放大器输入腔的匹配理论和模拟研究

  何琥, 李士锋, 刘振帮,

  基于输入微波与腔体耦合的等效电路模型，对于任意的腔体和电子束参数，建立了任意的输入微波与腔体耦合的速调管放大器输入腔的两种匹配状态的理论。建立了带有互感和电子束等效电阻和电容等参数的输入腔等效电路模型，推导了入射功率与反射功率的表达式，以及输入微波与带有电子束的输入腔耦合的完全匹配状态和任意的耦合这两种情形时输入功率和间隙电压关系的公式。推导了完全匹配状态时输入微波工作频率与输入腔有载品质因数的表达式。推导了复耦合系数等于1时输入腔外观品质因数与热腔品质因数的表达式，得出了当工作频率等于输入腔谐振频率，输入腔外观品质因数与热腔品质因数相等，且满足电子束等效电容远小于1时接近达到匹配状态，与传统理论基本一致。通过对比两种状态时的入射功率，得出了匹配状态时的入射功率小于复耦合系数等于1时入射功率的结论。通过对比复耦合系数等于1时新理论和传统理论的入射功率，得出不考虑电子束等效电容情况下两者相等的结论。采用二维粒子模拟的模型与匹配理论进行了对比，粒子模拟与理论基本一致。根据匹配理论找到了接近匹配状态的工作频率与有载品质因数以及较小的输入功率。

• 快上升前沿电磁脉冲下片上静电放电防护电路的效应与机理

  毛心怡, 柴常春, 李福星, 林浩东, 赵天龙, 杨银堂,

  静电放电（ESD）保护电路广泛存在于CMOS数字电路输入与输出端口，耦合进入设备内部的快上升前沿电磁脉冲（FREMP）在与CMOS电路作用的同时，也不排除作用于防护电路。建立了片上CMOS静电放电保护电路模型并且选取方波作为电磁脉冲信号，从多物理参数模型刻画了器件内部的晶格温度，电流密度以及电场强度分布。探讨了在电磁脉冲注入下电路内部器件的变化，并描述了损伤幅度阈值与脉冲宽度之间的关系。结果表明，在FREMP作用下，CMOS电路中的ESD保护电路模块存在潜在的损伤风险，FREMP的注入导致电路内部发生不可恢复的热损失。此外不同属性的脉冲信号会改变电路的损伤阈值。这些结果对一步评估电磁环境对芯片内部的影响提供了重要参考，有助于开展ESD保护电路的可靠性增强研究。

• 分段平滑的贝叶斯迭代法重建脉冲X射线能谱

  吕泽琦, 谢彦召, 周熠,

  吸收法测量脉冲X射线能谱时，测量数据的微小扰动会引起重建能谱的较大波动，甚至出现不符合物理规律的负值。针对测量数据的噪声对脉冲X射线重建能谱影响较大的问题，构建了重建能谱准确性的评估方法，分析了贝叶斯迭代法对包含不同程度噪声干扰的测量数据重建能谱的准确性。通过在贝叶斯迭代法中加入平滑约束条件的方式，降低了噪声对重建能谱的影响。根据预估待测能谱的特征，提出了以能谱峰值为界分段平滑的方法，比较了整体平滑和分段平滑方法的能谱重建效果。多次求解表明，分段平滑贝叶斯迭代法的重建能谱对噪声的敏感度显著下降。设计了基于吸收法的能谱测量系统，分别利用平滑前后的贝叶斯迭代法依据实验测量数据重建能谱，结果表明，分段平滑的贝叶斯迭代法的重建能谱更接近理论能谱，重建效果更好。

• 用于闪光图像消噪的改进BM3D方法

  危才华, 唐志鹏, 景越峰, 管永红, 刘进,

  高斯噪声是闪光图像中的主要噪声，将在密度反演等后续处理中被放大，严重影响密度重建及客体边界提取结果，因此，消高斯噪声是闪光图像消噪研究的重点内容。针对闪光照相图像噪声及照相客体轴旋转对称的特点，研究了基于三维块匹配滤波（Block Matching and 3D Filtering，BM3D）的闪光照相图像消噪算法，针对闪光照相图像中难以获得更高质量相似块的缺陷，在不破坏噪声独立性的情况下，通过对含噪退化图像进行旋转与镜像操作，增加了提供相似块的图像来源。同时，通过引入图像块的灰度变换，降低了原有相似性要求中的灰度值要求，提高了形状相似的要求，增加了获得高质量相似块的能力。图像的消噪结果表明，由于相似块的质量得到保证，用于闪光图像消噪的改进BM3D方法取得了更好的消噪效果。

• 激光等离子体实验中脉冲强磁场设备产生的电磁干扰和屏蔽方法

  王金灿, 张振弛, 王志, 唐桧波, 况龙钰, 胡广月,

  脉冲强磁场在高功率激光与物质相互作用领域有着重要的作用。报导了用于激光等离子体实验的脉冲强磁场设备产生的电磁干扰的空间和频谱分布特征以及屏蔽方法的实验结果。发现电磁干扰来自于脉冲强磁场设备的放电主回路、充电和接地的次级回路。这些电磁干扰主要通过电容性耦合进入真空靶室、进而通过传导型耦合途径从靶室进入电子设备，或通过充电线和接地线进入电网或弱电电缆、最终进入电子设备，部分电磁辐射通过自由空间传输方式耦合进电缆和电子设备。通过断开传导型耦合路径和屏蔽自由空间电磁辐射等途径来消弱电磁干扰，对比实验发现这些措施对抑制电磁干扰有明显的效果。这些结果可以应用于强磁场调控激光等离子体的实验研究。

• 分布式全固态波形可调高压脉冲发生器研制

  刘向前, 陈盈, 彭梓皇, 李柳霞, 贺恒鑫,

  为了满足多领域对幅值、脉宽、波形、重复频率等参数的不同要求，基于分布式理念，提出了一种分布式全固态波形可调高压脉冲发生器。该脉冲发生器由多个结构相同的子模块构成，单个模块采用半桥结构的全固态Marx主拓扑，驱动采用磁隔离方案；每个模块具有统一设计的连接端子与通信协议，多个模块可以独立工作，也可以直接串联工作以获得更好的性能。整个装置采用分层式设计，结构紧凑。详细阐述了该发生器的电路拓扑、工作原理与波形产生方法，并搭建了3台8级基本单元的9电平试验样机，串联后可输出25级电平的单极性任意高压脉冲波形，最大输出电压达到16 kV。

• 水中正极性丝状流注放电发展特性

  温嘉烨, 王亚桢, 肖正光, 王骏东, 李元, 张冠军,

  水中流注放电为击穿前放电通道起始与发展的关键过程，但由于涉及物理机制较为复杂且尚不明确，制约了水中放电应用效率的提升。探究了水中正极性丝状流注放电的模式转化特性、重燃特性与分叉特性，明确了通道界面沉积电荷与空间电荷分布对流注发展过程的影响。研究结果表明，水中正极性放电可分为第一类与第二类丝状流注，流注模式转化特性受气液界面电荷弛豫过程影响较大。当外施电压达到加速电压时，第一类流注迅速转化为第二类流注。第一类丝状流注通道内电离形成、熄灭及重燃过程与通道内部电场及气/液界面电荷密度关系密切。第二类丝状流注通道空间电荷分布受电压上升沿与电极表面结构影响较大。电压上升沿时间越长，主通道头部电荷密度与电场强度越低，通道发展速度随之降低。随电极表面微凸结构半径增大，流注分叉点位置将电极表面过渡为主通道根部。受主通道空间电荷分布影响，分支通道发展速度在微凸结构半径为5 μm时呈现先降后升趋势。

• 用于氚产生率在线测量的小型背靠背锂玻璃探测器

  安力, 杨杰成, 肖军, 韩子杰, 蒋励, 郭海萍,

  为了实现强伽马场环境下的造氚率在线测量，研制了小型“背靠背”6Li/7Li玻璃探测器。每块锂玻璃闪烁体的尺寸为3.0 mm×3.0 mm×0.4 mm，闪烁体之间及侧面采用0.5 mm二氧化钛作为反射层，整体尺寸为4.0 mm×4.0 mm×1.3 mm。7Li玻璃探测器测量伽马产生的信号作为6Li玻璃探测器的伽马本底扣除。通过对标准60Co源的伽马射线脉冲幅度谱测量，验证了两个闪烁体对伽马场响应的一致性；在反应堆热中子孔道处和252Cf中子源直照等强伽马环境下测量了脉冲幅度谱，获得的中子伽马信噪比都大于1，表明可以有效扣除伽马本底。验证实验研制的锂玻璃探测器在强伽马场环境下仍能有效甄别伽马，可用于聚变堆和聚变-裂变混合堆实验包层模块内造氚率高精度在线测量。

• 多场耦合原位拉伸中子衍射实验装置综述

  郑海彪, 康乐, 陈洁, 张雪凯,

  极端环境服役材料的研发一直是航空航天等国家战略发展的“瓶颈”，不同环境因素会影响材料的性能。中子由于其强穿透性、轻元素敏感等特点，可与同步辐射技术互为补充，运用原位装置还原材料在真实工况条件下的受力变形过程，并利用中子探针原位观察材料在服役条件下晶格应变、织构、相变和残余应力的演化。多个国家的中子谱仪均配备了不同的原位拉伸装置，实现在不同的加载环境下对样品进行原位应力加载，对样品材料的微观结构进行测试分析，能够解决材料工程领域的重要科学机理问题，进而推动材料的发展应用。介绍了国内外不同中子源谱仪原位拉伸装置的情况，重点阐述了应用于中子衍射技术的多场耦合原位拉伸装置的设计原理与结构特点，凸显了工程材料研究的发展方向。

• 异步双波长脉冲锁模动力学特性

  刘瑞燕, 金鑫鑫, 段延敏, 朱海永,

  设计了基于双峰滤波的掺铒全光纤激光模型，开展了异步双波长脉冲锁模动力学特性的数值模拟研究。以同一噪声作为初始条件，分别将增益光纤饱和能量设置为15、40、55 pJ，模拟结果表明：噪声最终分别演化成为单波长脉冲锁模、异步双波长脉冲锁模、孤子分子形式的异步双波长脉冲锁模，其中异步双波长脉冲生成的演化过程经历噪声脉冲、多脉冲锁模与增益竞争、稳定的异步双波长脉冲锁模3个阶段；增益光纤饱和能量的大小直接决定脉冲在增益竞争中的演化方向。脉冲碰撞过程中互相位调制作用引起的脉冲频率移动，导致时域脉冲时间抖动。

• 基于干扰序列图的无人机定位系统电磁效应分析

  白艺杰, 周佳乐, 柴梦娟, 余道杰, 李涛, 王怡澄, 梁丽月,

  无人机定位系统是无人机与外部环境进行信息交互的重要核心模块，同时也为电磁干扰信号提供了耦合路径。围绕无人机定位系统电磁效应分析展开研究，关注未采取电磁加固措施的消费级无人机，基于无人机定位系统内部结构，建立了无人机定位系统的干扰序列图，进而推导出无人机定位系统各模块的瞬态响应函数，基于干扰序列图构建了无人机定位系统物理模型，开展了定位系统电磁效应场路联合分析，仿真分析了定位系统及其敏感单元磁场强度H和磁感应强度B的分布与规律，得到了无人机定位系统的电磁效应分布特征与电磁薄弱环节。仿真结果表明：无人机定位系统电磁薄弱环节在芯片线路连接点处，且随着电磁脉冲干扰时间的增加，电磁效应持续累积且呈现趋势一致的震荡效应。

• Ku波段全腔提取相对论磁控管仿真设计

  秦奋, 徐莎, 张勇, 崔悦, 张玉涵, 王冬,

  为了拓展相对论磁控管工作频段，设计了一个Ku波段高效率全腔提取相对论磁控管。该器件采用20腔阳极结构，冷腔模拟结果表明其π模工作频率约为13.5 GHz。结合全腔轴向提取技术，在电压150 kV、电流0.41 kA、工作磁场0.4 T的条件下，PIC仿真得到38 MW的仿真功率，工作频率13.47 GHz；仿真得到的功率转换效率约61.6%。仿真结果表明该器件转换效率高，结构紧凑，具有实现轻小型永磁包装的潜质。

• Ku波段相对论扩展互作用速调管振荡器粒子模拟研究

  蒋俊杰, 阳福香, 党方超, 葛行军, 张鹏, 李家文, 邓如金, 李志敏,

  射频击穿、模式竞争是导致速调管振荡器（RKO）功率下降、脉冲缩短的主要原因。本文引入扩展互作用提取结构，可以有效降低提取腔射频电场，增大器件功率容量。传统的双间隙提取结构将电子能量在提取腔内转化为微波能量，共用一个通道输出。而扩展互作用提取结构采用了分布式提取腔而非集中式提取腔，增加了输出通道，可以有效提高束-波转换效率，降低提取腔的射频电场。粒子模拟结果显示：二极管电压561 kV，磁场强度0.5 T条件下，保持阴极结构、调制腔及反射器不变时，分别对传统双间隙提取腔、双间隙及三间隙扩展互作用提取腔进行仿真：输出功率分别为2.14、2.22、2.35 GW；分析其提取腔最大射频电场，分别为1.50、1.21、1.10 MV/cm；束波转换效率分别为35.7%、36.9%、39.1%；器件工作频率为12.52 GHz。在三维仿真中，通过改变阴极结构的S参数、设计新的反射器，有效抑制了调制腔TM113模带来的模式竞争，为开展后续实验奠定了基础。

• C波段光阴极电子枪驱动激光整形研究

  姜世民, 陆志军, 刘星光, 李晓,

  在光阴极电子枪系统当中，驱动激光的时空整形是实现束流低发射度的关键之一。基于南方光源预研项目C波段光阴极电子枪测试平台，介绍了驱动激光系统的布局与测试相关内容。测试平台于国内首次采用初始RMS脉冲长度为160 fs的266 nm激光作为驱动激光，利用双折射晶体的脉冲时间延迟完成对激光脉冲纵向时间整形，并配备多个孔径的可调光阑实现对束流的横向尺寸的调节。经过整形，激光平台可以提供纵向RMS长度为160 fs、420 fs的高斯脉冲激光与半高全宽为5 ps的平顶分布脉冲激光，根据激光测试结果，简要分析了不同脉冲分布对于束流发射度演化以及脉冲分布的影响，不仅为后续光阴极电子枪束流调试提供了指导，并对初始脉冲分布对空间电荷力的影响实现更加深入的研究提供了支持。

• 光子吸收剂量的蒙特卡罗计算方法研究

  谢蓉, 郝建红, 赵强, 张芳, 范杰清, 薛碧曦, 董志伟, 曹相春,

  为了能够通过选择合适的计算方法对不同辐射情况的光子剂量进行准确有效的计算和评估，对比研究了蒙特卡罗模拟软件中常用的四种光子剂量计算方法：剂量转换系数法、发热数法、径迹长度能量沉积法和脉冲高度计数法，从计算原理出发结合仿真结果分析比较了这四种方法。通过模拟不同能量的单能光子束入射不同体积大小的水球，分析了用比释动能近似吸收剂量导致的误差，并且模拟分析了不同含量的高原子序数元素钆对于吸收剂量计算结果差异的影响。由于转换系数是根据参考人模计算得到的，因此剂量转换系数法只能对吸收剂量进行快速的估计计算，很难在特定情况下得到精准剂量；当高能量光子入射小体积物质时，比释动能会大于吸收剂量，使用发热数法和径迹长度能量沉积法会产生误差，采用脉冲高度计数法更加合适；在低能量和大体积时可以根据计算精度和计算机资源选择任意方法；当组成物质的高原子序数元素含量增多时，径迹长度能量沉积法和脉冲高度计数法之间的计算误差会减少。

• 电子FLASH-RT剂量学模拟计算与实验研究

  程德琪, 羊奕伟, 王诗岚, 唐镭迅, 王翔,

  通过实验测量与数值模拟相结合的方法评估电子FLASH-RT的剂量学特性。实验中，使用EBT3胶片在固体水模中测量剂量，同时采用MCNP5程序模拟验证束流特征参数。实验平台基于9 MeV电子直线加速器构建，通过调整加速器参数，在源皮距1 m处实现了250 Gy/s的超高剂量率。实验与模拟结果在剂量分布上的最大偏差不超过5%，束流平坦度控制在3%以内。关键剂量率评估显示，加速器在最大工况下工作，可获得满足FLASH效应所需的超高剂量率。离轴剂量变化研究表明，引出窗中水层的存在改善了束流的均匀性。中心轴深度剂量分布分析表明，模拟与实验结果在水层厚度10 mm时吻合较好。二维剂量分布显示，模拟结果与EBT3胶片测量趋势一致。研究结果表明，电子FLASH-RT实验平台能够提供所需的超高剂量率，且实验与模拟结果具有较高的一致性，为FLASH-RT的进一步研究和应用提供了重要的剂量学参数和束流特征参考。