强激光与粒子束杂志

强激光与粒子束杂志2024年第1期

• 浅析美国高功率微波效应研究动态

  张帅, 张艺博, 涂敏,

  简要介绍了美国国际高级研究计划局（DARPA）发布的“波形捷变射频定向能（WARDEN）”项目、空军研究实验室公布的《定向能和基地防御》和《定向能未来2060−美国国防部定向能技术未来40年远景》报告，重点分析了“WARDEN”项目、《定向能和基地防御》和《定向能未来2060−美国国防部定向能技术未来40年远景》报告中的高功率微波效应研究动态，分析归纳了当前美国高功率微波效应研究进展和研究重点是“深化无人机和巡航导弹高功率微波后门扰乱效应机理，提升高功率微波武器系统对无人机和巡航导弹的攻击距离”，这些结论可为我国高功率微波效应研究提供重要参考。

• 一种旋转移相式高功率微波反射阵列天线

  许亮, 张强, 袁成卫, 刘金亮, 孙云飞, 龚鸿州, 刘东琪,

  利用旋转移相技术的几何相位调控方法，提出一种基于传输相位差概念的波束扫描高功率微波反射阵列天线。电磁仿真结果表明，所设计的三叉戟形反射阵列天线单元工作于9.5～10.5 GHz，在0～40°入射角度下具有360°范围内的线性相位调控能力，真空条件下的功率容量达到1.11 GW。采用该单元设计了半径为200 mm的圆形口径反射阵列天线，并使用全波仿真软件进行验证，利用口径相位分布的可重构特性，所设计的反射阵列天线可以实现±40°范围内的波束扫描。在10 GHz时，波束扫描过程中的增益下降小于1.7 dB，最大增益达到31.1 dBi，对应口径效率为73.42%，最低口径效率超过50%，副瓣电平和轴比始终低于−18.7 dB和1.6 dB。

• T/R双模微波功率模块技术及其应用

  李建兵, 邱立, 王斌, 郭静坤, 董雪雨,

  微波功率模块（MPM）是真空电子器件和固态电子器件组合而成的一种新型微波功率器件，具有频率高、频带宽、功率大、体积重量小等特点，它使常规行波管的应用变得更加便利和广泛。现代战争向雷达、电子战综合一体化方向发展，这就要求功放既能工作在高峰值功率、低占空比的高模工作方式，也能工作在低峰值功率、准连续波的低模工作方式，针对这一需求，结合电子系统收发共孔径的要求，提出了T/R双模MPM技术。T/R双模MPM技术的核心是T/R双模行波管，基于三端口双向T/R行波管，通过在慢波系统的衰减器附近设置一个耦合口，实现行波管的信号反向接收功能；通过T/R双模行波管设计、双模放大均衡组件、双调制栅极电源等技术实现MPM的双模双向功能。T/R双模MPM应用前景广阔，特别是在基于无人机平台的作战应用中的具有明显优势。

• 重复频率微波脉冲大气击穿延时与电离率

  杨浩, 郑强林, 黄诺慈, 刘星辰, 鲍向阳, 闫二艳,

  针对高功率微波在大气传输中可能出现的击穿现象，研究了脉冲序列中首次脉冲击穿延时和后续脉冲击穿延时，研究结果发现首次脉冲击穿延时在脉宽范围内大致均匀分布，后续脉冲击穿延时波动性较小。根据击穿延时数据对电离率进行了分析，指出在重复频率条件下，初始电子密度较高，电子密度分布不适用指数分布，无法用延时数据标准差对电离率进行估计。提出了一种用重复频率脉冲击穿延时数据计算电离率的方法，并将计算结果与仿真结果进行了对比，结果显示，二者有较好的对应关系。

• 光导微波源阵列合成时控技术初步研究

  牛昕玥, 谷炎然, 楚旭, 姚金妹, 易木俣, 王朗宁, 荀涛,

  基于宽禁带光导半导体的固态光导微波源是高功率微波产生的一种新途径，该方案具有功率密度高、频带范围宽等特点，且其低时间抖动特性使其在功率合成方面具有巨大潜力，利用光波束形成网络构建光导微波有源相控阵是光导微波器件迈向实用的重要途径。分析了光导微波相控阵系统原理，设计了光导微波真延时网络架构，并构建了差分真延时相控阵和考虑相位随机误差的真延时相控阵的理论模型，对影响功率合成和波束扫描的关键因素开展定量分析和仿真验证。结果表明，对于发射1 GHz信号的n×10阵列，延时均方差在10 ps以下时，指向偏差小于0.13°，峰值增益损耗小于2%；延时步进精度在10 ps以下时，指向偏差小于0.2°，峰值增益损耗小于0.03%。由此提出延时精度指标，为未来更高功率、更大规模的光导微波合成技术发展提供参考。

• 基于波形测试的异质结双极型晶体管器件负载失配影响分析

  张津豪, 苏江涛, 谢炜誉, 邵世缘, 徐魁文, 李文钧,

  大功率电磁脉冲冲击下，射频集成微系统内部容易产生负载失配问题，严重者可能导致系统失效甚至损毁。采用实时的波形测试方法，对射频器件的负载失配进而导致器件损毁的机理进行了分析。该方法以矢量网络分析仪作为主要测试仪器，结合回波信号注入和相位参考模块获得待测器件实时电压电流波形，进而分析其负载失配影响机制。采用有源负载牵引技术模拟大功率耦合电磁脉冲注入，进行了电压驻波比39∶1的失配测试，大幅提升了测试范围。创新性地采用了谐波信号源注入模拟杂散谐波电磁干扰，评估器件的谐波阻抗失配特性。通过实际异质结双极型晶体管（HBT）器件测试的结果表明，基波的失配会造成负载端电压过大，增加器件的易损性；基波和谐波频率的干扰分量组合使得输出电压瞬态峰值升高，造成器件的损毁。在进行电磁安全防护时，应同时考虑基波和谐波频率的防护。

• 基于空间馈电的高功率波束扫描螺旋透射阵列天线设计

  刘东琪, 袁成卫, 孙云飞, 张强, 许亮,

  传统的透射式空馈阵列存在功率容量低的缺点，不能直接应用于高功率微波领域。现有的高功率空馈阵列布局不够灵活，波束扫描速度较慢，不能充分发挥空馈阵列在系统集成方面的优势。提出并设计了一种新型的采用空间馈电的螺旋辐射单元，并构建了一种透射式空馈螺旋阵列天线，通过控制单个螺旋旋转可以实现二维波束扫描，在设计上更加灵活，可根据实际应用需求调整阵列布局，符合高功率微波天线紧凑化、模块化的发展趋势。仿真设计了包含324个单元的透镜阵列，数值模拟结果表明，单元反射系数S11≤−20 dB，功率容量0.35 MW，阵列口径效率0.68，可在±45°范围内扫描，最大增益下降3 dB。

• 基于碳化硅等离子体器件的功率脉冲锐化技术

  郭登耀, 汤晓燕, 宋庆文, 周瑜, 郭京凯, 孙乐嘉, 袁昊, 杜丰羽, 张玉明,

  利用Sentaurus搭建了碳化硅漂移阶跃恢复二极管（DSRD）与雪崩整形二极管（DAS）全电路仿真模型，研究了碳化硅等离子体器件在脉冲锐化方面的能力，并且通过器件内部等离子浓度分布解释了这两种器件实现脉冲锐化的机制。借助碳化硅DSRD可以将峰值超过千伏的电压脉冲的前沿缩短到300 ps；碳化硅DSRD与DAS的组合可以输出脉冲前沿在35 ps、峰值超过2 kV的电压脉冲。仿真与实验发现当触发脉冲与碳化硅DAS匹配时，可以实现快速开启后快速关断，得益于碳化硅DAS这种神奇现象，可以将峰值在两千伏以上脉冲的半高宽缩小到百皮秒量级；通过频谱分析发现脉冲经过DAS整形后，其最高幅值−30 dB对应的频谱带宽扩大了37倍，达到7.4 GHz。

• 一种高功率微波宽带紧耦合偶极子阵列天线

  龚鸿州, 张建德, 袁成卫, 张强, 许亮,

  提出了一种新型高功率微波宽带紧耦合偶极子阵列天线。在常规的紧耦合偶极子阵列天线的基础上，该阵列天线通过采用全金属结构设计、天线匹配层和密封层一体化设计以及调节天线结构的手段，获得了宽带高功率性能。仿真结果显示，在0.8～4.0 GHz的范围内，天线未扫描时的驻波比小于2；在16 mm×32 mm单元尺寸内和1个大气压的SF6气体中，功率容量达到0.12 MW；以该单元天线组成10×10阵列，100个单元总尺寸仅为160 mm×320 mm，在1个大气压的SF6气体中，功率容量可以达到12 MW，另外，该天线可实现45°的宽角扫描。该阵列天线的提出为实现高功率微波宽带天线的宽频带、大角度扫描、紧凑化、小型化以及低剖面化提供了参考。

• 基于反向传播神经网络PID的高功率微波炉温度控制

  王威, 李少甫, 吴昊, 蒋成, 唐颖颖,

  针对现有10 kW高功率工业微波炉，采用继电器作为控制执行器，在使用传统控制方法加热时，温度存在较大超调和明显振荡，系统温度稳定性较低，为解决上述问题将反向传播神经网络PID（BPNNPID）控制引入到该装置微波加热温度控制中，并以自来水为加热对象进行仿真对比与实验验证。首先，利用现有输入输出实验数据，建立工业微波炉温度控制模型；其次，运用MATLAB/SIMULINK搭建高功率工业微波炉温度控制系统并进行仿真对比实验；最后，实验验证BPNNPID控制方法在加热5 kg自来水时工业微波炉的温度控制性能，实验结果表明，较常规PID、模糊PID控制，该方法在微波加热过程中对媒质温度控制超调更小且未发生明显温度振荡，有效改善了高功率工业微波炉工作时的系统温度稳定性，有助于提高产品质量和安全性能。

• 超宽带脉冲作用下抗干扰器件的特性分析

  陈圣贤, 胡明, 李永龙, 袁雪林,

  基于高重频超宽带脉冲，研究了高重频超宽带脉冲对自适应调零天线和PIN限幅器的抗干扰性能的影响。基于Matlab和ADS仿真软件搭建模型，并通过实验平台对ADS的仿真结果进行验证。实验结果表明：对于导航接收机中的自适应调零天线，超宽带干扰脉冲会使其射频链路产生饱和效应，从而使功率倒置算法失效，进而无法在干扰方向形成零陷；对于PIN限幅器，超宽带干扰脉冲可以使其产生明显的尖峰泄露效应。相较于ns量级的窄谱高功率微波脉冲，超宽带脉冲对限幅器的干扰能力更强。

• 同轴脉冲形成线振动环境适应性优化设计

  范红艳, 潘亚峰, 王俊杰, 侯振园, 孙旭, 樊旭亮, 郭旭,

  以带有悬臂结构的同轴脉冲形成线为研究对象，开展提高振动环境适应性的优化设计。首先，通过实际工况分析及仿真计算，确定形成线内筒的盲孔螺钉可采用的防松措施有：使用施必劳螺纹并涂抹防松胶；优化螺钉数量。其次，通过仿真分析和绝缘试验，优化尾端绝缘子材料，提高悬臂支撑的中内筒连接刚度。最后，开展振动试验考核，优化后的形成线等效件可以通过长时间的振动考核，相比优化前的振动环境适应性有很大提高，验证了优化设计的有效性。该研究结果对同类型脉冲功率源的振动环境适应性设计具有参考意义。

• 用于高功率微波器件的传导冷高温磁体研制

  徐策, 刘辉, 刘建华, 戴银明, 陈顺中, 程军胜, 王秋良, 霍少飞, 史彦超, 黄慧杰,

  为了利于高功率微波系统的紧凑化和小型化，降低系统能耗，对产生引导磁场的超导磁体系统进行了研究设计。超导磁体使用稀土钡铜氧化物线饼组成。低温系统采用4台小型风冷式斯特林制冷机对超导磁体冷却。为了适用于车载环境并降低漏热，采用了一种非金属材料的新型锥体结构作为磁体的承载结构，并通过仿真分析了一般的车载环境下的磁体结构承载情况。整个高温超导磁体工作温区为40～50 K，达到目标场时的通电电流为77.49 A，均匀区场强达到4 T。整个系统能耗较传统技术降低80%。通过实验测试出高温超导磁体的温度运行上限为48.9 K。

• 高功率微波加热三维温度模型仿真与验证

  吴昊, 李少甫, 王威, 蒋成, 唐颖颖,

  微波加热不均匀性一直以来都是从事微波加热控制方向研究人员心目中的热点问题。根据微波加热装置的物理结构建立了炉内各层表面的温度静态差分模型结合实验以求得微波加热的实际功率。再基于传热学的有限差分法建立三维空间中的温度分布模型，利用MATLAB以及COMSOL仿真对比验证了模型的有效性。假定微波均匀加热求得被加热介质的平衡温度与不均匀加热时的温度进行比对以找出微波加热过程中介质的部分温升平衡点，最后互相比对找出最优点为控制对象进行专家PID（proportion-integral-derivative）微波加热。实验结果表明，该方法能较为精确地测量出被加热介质任何时刻的平衡温度，使得微波加热在工业生产上有着更加广泛的应用。

• 基于锥形掺镱光纤实现20 kW高光束质量激光输出

  肖虎, 潘志勇, 陈子伦, 马鹏飞, 刘伟, 杨欢, 闫志平, 王蒙, 奚小明, 李智贤, 杨保来, 杨林永, 黄良金, 黄值河, 曹涧秋, 王小林, 王泽锋, 陈金宝,

  锥形光纤能够有效兼顾非线性效应抑制和模式控制，具备实现高功率、高光束质量光纤激光的潜力。近期国防科技大学研制了锥形掺镱光纤，采用1018 nm光纤激光后向级联泵浦实现了20.2 kW 激光输出，光束质量β因子平均值优于2，拉曼抑制比为33 dB。研究结果展示了锥形光纤在实现万瓦级高光束质量激光方面的优势。

• 2.7～3.0 μm波段高反镜反射率测量研究

  周文超, 魏千翯, 彭琛, 黄德权, 朱日宏,

  中红外激光领域广泛使用高性能高反射光学元件，高反射率高精度测试技术是制备高性能反射光学元件的基础。针对2.7～3.0 μm波段光学元件高反射率测量的实际需求，基于量子级联激光器建立了连续光腔衰荡反射率测试实验装置，通过优选2.7～3.0 μm波段反射带内水汽吸收较弱的测试波长，分析空气中水汽吸收对衰荡时间和反射率测量的影响，并比较空气和氮气环境下反射率测量结果，实现了2.7～3.0 μm波段高反镜反射率的准确测量，在反射率约99.95%时绝对测量精度优于2×10−5。实验结果显示，采用测试波长2.9 μm并在测量时保证初始腔和测试腔腔长相同，无需使用氮气环境，直接在实验室空气环境可实现高反射率的精确测量。

• 气流对飞秒激光加工炸药装药过程的热安全性影响分析

  伍俊英, 郑富德, 姚雨乐, 刘嘉锡, 陈朗,

  由于炸药具有热传导系数小、对温度极其敏感的特点，在使用多脉冲飞秒激光对其进行持续加工时，极有可能在炸药内形成热累积，从而导致点火、燃烧等危险事件的发生。为了降低激光加工材料过程中的热效应，人们普遍采取在材料加工表面施加气流的方法。为了研究加载气流条件下，炸药装药在飞秒激光作用下产生的烧蚀产物的运动规律以及炸药装药内部的温度变化，建立了加载气流条件下飞秒激光加工炸药装药过程的二维流固耦合计算模型，对在单侧、双侧不同入射角度的亚音速气流作用下，飞秒激光加工奥克托今（HMX）炸药装药的过程进行了数值模拟计算。计算结果表明：单侧气流会在炸药加工表面形成漩涡流，导致烧蚀气体产物在炸药表面做旋转运动，加重了烧蚀产物对炸药的热影响；双侧气流会在远离炸药加工表面的地方形成较大的漩涡流，从而使烧蚀气体产物迅速离开炸药加工表面，有效降低了炸药的温度，提高了飞秒激光加工炸药装药过程的安全性。

• 拍瓦激光驱动纳米刷靶高品质质子束的产生

  杨月, 孙斌, 邓志刚, 滕建, 贺书凯, 张博, 王少义, 张智猛, 于明海, 温家星, 谭放, 闫永宏, 王子涛, 周凯南, 陈忠靖, 吴玉迟, 周维民, 谷渝秋, 赵宗清,

  超强激光加速产生的高能质子束源在基础物理研究、材料科学、生物医疗等领域具有广泛应用前景。基于激光聚变研究中心的SILEX-II装置，开展了高对比度飞秒激光驱动纳米刷靶质子加速实验研究。采用等离子体镜技术进一步提升激光对比度，有效降低了预脉冲对纳米刷靶结构的影响。相比于平面靶，采用纳米刷靶质子截止能量提高到1.5倍，质子束产额增加近一个量级，成功验证了超高功率密度下纳米刷靶对激光离子加速的增强效果，并且有效提升了质子束空间分布的均匀性。研究结果为高品质质子束源的产生和应用提供了技术途径。

• 基于显微CT影像的靶丸表面缺陷检测方法

  汤玉玲, 赵庆贤, 刘家铭, 罗守华,

  靶丸的内外表面缺陷分布对激光惯性约束聚变实验成功率及效率有重要影响，目前观测不透明靶丸的内表面仅有用X射线直接成像技术获取局部二维信息。运用显微CT实现靶丸三维成像，可得到靶丸内外全表面形貌信息；运用边缘检测、理想曲面拟合分割出缺陷区域，通过连通域分析对表面缺陷进行分块，并分别计算各区域的宽度、高度；运用体绘制方法交互绘制出了靶丸三维数据的立体效果，尤其突出了缺陷区域的彩色高度场效果，并通过虚拟切割观察靶丸内表面。基于该方法的靶丸内外表面缺陷观测技术，能识别大多数表面缺陷，且能较为准确地计算出缺陷尺寸参数，未识别出的缺陷通过体绘制可被观察到作为补充，为研究人员提供了良好的辅助分析手段。

• 相对论热等离子体中电子声波的非线性频移

  钱平通, 张小波, 黄茂, 薛具奎,

  研究了相对论电磁波在热等离子体中传播时的色散特性以及由于非线性电子声波激发引起的电子声波的非线性频移。基于相对论激光在热等离子体中传播的电磁流体物理模型，采用流体的非线性频移理论，利用微扰法得到了描述相对论激光与热等离子体相互作用时谐波产生的非线性频移方程。结果表明，等离子体密度、电子温度和一阶谐波振幅是决定相对论热等离子体中非线性频移的主要因素。在弱激发下，非线性频移随着电子温度和一阶谐波振幅的增大而增大，等离子体密度抑制非线性频移。电子声波非线性频移对等离子体密度和电子温度的依赖表现出了强烈的非线性特征。研究结果为深入理解高能量激光与热等离子体相互作用中谐波的产生及引起的非线性频移提供了理论依据。

• 四代光源储存环磁铁支撑设计及仿真优化

  黄晴晴, 杨振, 罗涛, 齐志军, 苗学策,

  储存环机械支撑的静力变形、调节精度决定各物理元件的定位精度，其动态响应特性间接影响着束流的稳定性，机械支撑是各物理元件的安装基础，保证磁铁、真空室、束测元件正确地安装、运行，发挥出相应的物理性能。主要从支撑的静力变形和固有频率两个方面对机械支撑进行优化设计。以深圳产业光源（SILF）共架支撑为例，利用SolidWorks和Ansys软件对储存环磁铁机械支撑进行设计、拓扑优化。详细阐述了储存环机械支撑设计、优化的过程，并将最终优化完成的支撑模型与磁铁模型进行装配，在尽量接近真实工况的基础上对整体支撑进行仿真计算，以确保支撑整体能够达到设计指标。

• 电子束发射诱发航天器充电的数值模拟研究

  任三孩, 彭凯, 谭谦, 叶新, 方进勇,

  通过发射电子束测量空间地磁场是一种新的有效的地磁场高精度测量方法，但电子束发射对在轨航天器自身状态和安全存在影响。为了研究这一影响，从同步轨道充电机制出发，基于轨道限制机制和朗缪尔方程研究了航天器发射高能电子束时的诱发充电模型，推导了不同初始电位情况下束流发射的平衡电位公式，并编制程序研究了这一过程中粒子束电流、能量、光照等因素对航天器充电电位的影响，得到了航天器对外发射高能电子束时诱发航天器自身或平台的充电电位随时间变化规律，并通过部分解析解对比验证了模拟结果的正确性。

• 大连先进光源束流垃圾桶屏蔽设计及热工分析

  鄂得俊, 黄礼明, 刘昌奇, 陶凯,

  基于蒙特卡罗模拟软件FLUKA和有限元软件COMSOL对大连先进光源（DALS）束流垃圾桶的设计进行了初步研究。采用FLUKA软件进行了束流垃圾桶和主体建筑的建模，理论公式和模拟计算保证径向和轴向束流垃圾桶沉积能量在99%以上，计算中引入减方差技巧，降低计算结果的统计误差，相应的计算结果的误差在5%以内。同时计算给出侧墙和顶板位置的辐射剂量率的大小，侧墙两边的剂量率大小分别为1.84 μSv/h和1.15 μSv/h，顶板位置处的剂量率大小约为1.14 μSv/h，保证了工作人员的安全与健康。利用COMSOL软件计算束流入射情况下束流垃圾桶的温度分布和热应力的大小，得到稳态情况下束流垃圾桶的最高温度为55.1 ℃，最大热应力大小为54.5 MPa，小于材料的熔点和屈服强度，保证束流垃圾桶在装置运行过程中的稳定性。

• 三塔级联水精馏系统分离含氚轻水中试实验研究

  王君妍, 陈超, 李佳懋, 黎名昭, 侯京伟, 龚宇, 赵林杰, 杨茂, 岳磊, 冉光明, 付小龙, 王鑫, 高娇, 黄洪文, 王和义, 肖成建,

  针对大体量含氚水分离净化的需求，自主设计建设了三塔级联水精馏系统，内部装填有自研高性能填料。在中试实验过程中，以5～10 kg/h的处理量，完成了吨量级含氚轻水的分离处理，实现了贫化倍数高于2 000倍、富集倍数高于20倍的分离效果。测得规整填料等板高度为14 cm，散堆填料等板高度为4 cm，运行过程各关键参数稳定，全系统已稳定运行超过900 h，可满足规模化工程放大的要求。

• 双驱动射频负氢离子源匹配网络设计与实验研究

  阳璞琼, 李宇乾, 蒋才超, 潘军军, 刘波, 陈世勇, 谢远来,

  随着磁约束聚变实验装置对中性束注入器的输出束流强度与脉冲时间的要求越来越高，开展高功率大面积射频离子源的研究迫在眉睫。为了实现大面积、高密度均匀等离子体放电，基于多驱动射频离子源的设计是当前的发展趋势，而阻抗匹配网络是射频功率源将最大功率输送至线圈并耦合至等离子体的关键，故对其结构设计和调谐特性的研究是不可或缺的。基于前期在单驱动射频离子源的研究基础上，结合双驱动射频离子源的放电需求，开展了双驱动阻抗匹配网络优化结构的设计与分析，通过实验中对匹配网络的调谐，成功实现了140 kW高功率和25 kW/1000 s长脉冲的稳定运行。随后在等离子体稳定放电的基础上研究了两个驱动器之间的功率分配均匀性问题，实验结果表明了该匹配网络的优化设计合理可行，上下驱动器的射频功率分配基本均匀。

• 氦对钨传热性能影响的分子动力学研究

  时永兴, 张宝玲, 闫鹏辉,

  采用分子动力学方法研究了氦辐照对金属钨传热性能的影响，从原子尺度分析了单晶钨与多晶钨的热导率随氦含量的变化及其微观机理。结果表明：随着氦原子从0增加至500，钨中的缺陷对数目呈先增加后减少的趋势，单晶钨中氦原子为230个时缺陷对数目达到峰值123，多晶钨中氦原子为480个时缺陷对数目达到峰值124；钨金属的晶体结构从bcc转变为bcc、fcc和hcp等多种结构共存。钨的热导率随氦含量增加波动明显，总体呈非线性减小趋势，在氦含量为0.75%时，单晶钨和多晶钨的热导率分别下降1.44%和1.3%。氦辐照下钨金属内缺陷的产生、聚集及晶体结构的变化是其热导率下降的主要原因。