强激光与粒子束杂志

强激光与粒子束杂志2024年第8期

• 空间整形飞秒激光高效制备纳米光栅

  赵昶栋, 刘永刚, 魏文卿, 张航, 邓琥, 刘泉澄, 胡建波, 尚丽平, 李占锋,

  针对常规物镜聚焦飞秒激光光斑较小，难以单次直写加工成型大面积纳米光栅结构的问题，提出了利用空间狭缝整形的飞秒激光脉冲直写方法。通过开展单晶硅表面纳米光栅结构对加工系统的参数依赖关系研究，获得入射整形飞秒激光能量密度8.00 μJ/cm2、扫描速度9 mm/s、狭缝宽度0.40 mm的优化条件。采用SEM、AFM等手段对光栅进行微观表征，结果表明，单次扫描所制备的纳米光栅结构具有极高的宽度 （41.20 μm），说明提出的方法可以显著提升 一次成型大面积纳米光栅结构的制备效率。

• 基于小波阈值滤波和S-G滤波相结合的激光自混合干涉微位移重构

  尤亚强, 李鑫涛, 刘晖, 和丹,

  在半导体激光器自混合干涉（SMI）微位移测量中，相位信息的准确提取对于位移的高精度重构至关重要。然而，测量噪声会对SMI信号引入相位误差，位移重构精度较低。针对信号去噪问题，小波阈值去噪算法能够滤除多数信号的噪声，但该算法在SMI信号去噪中存在局部振荡的问题，使得去噪后的自混合干涉信号中出现新的干扰峰，最终识别到的干扰峰会产生错误的位移重构。提出一种基于小波阈值滤波和Savitzky-Golay（S-G）滤波相结合的SMI信号处理算法。该算法通过引入S-G滤波算法，从全局上平滑处理相位跳变点的噪声，解决了只是采用小波去噪算法而引起SMI信号的局部振荡问题。位移重构实验结果表明，基于小波阈值结合S-G滤波算法的激光自混合干涉重构信号消除了振幅处和相位跳变点之间的高频噪声，重构位移曲线保持了振动物体的原始波形特征。

• 激光惯性约束聚变堆包层能量沉积特性

  李昕泽, 张冰倩, 陈荣华, 张魁, 张大林, 田文喜, 秋穗正, 苏光辉,

  参考国内外聚变堆技术，建立了一种200 MW激光惯性约束聚变堆包层概念设计，包层采用超临界二氧化碳和锂铅双冷结构。研究构建了瞬态和稳态耦合模型计算包层温度分布及变化。靶丸内爆反应使用MULTI-IFE进行计算，核热耦合部分基于蒙特卡罗程序OpenMC和自编程换热模型对包层模型结构、冷却和产氚进行计算。研究结果表明，核热耦合模型能够完成对包层的初步计算分析，周期性的瞬态载荷会引起第一壁面温度的振荡，但包层内部的温度最终会收敛到稳态计算结果。堆腔尺寸对于降低温度以及震荡效果明显，但仍需氙展平辐射功率峰。包层产氚和能量导出同时受到堆腔尺寸和增殖区的影响，在200 MW工况下，3 m半径和0.25 m增殖区尺寸计算结果最能满足需求。

• 火花放电等离子体的特征光谱和温度特性实验

  张辽原, 孙帅, 王小胡, 李泽仁,

  以皮秒时间分辨条纹相机和光谱仪为核心，以高压脉冲电源所产生的火花等离子体为研究对象，搭建了一套瞬态光谱与扫描高温计系统。实验中，考虑了针尖间隙和两极电压这两个影响因素，通过采集针尖高压击穿空气所产生火花的瞬态光谱，在对数据进行处理和标定后，结合普朗克的黑体辐射理论，实现对放电等离子体瞬态光谱与温度的诊断。研究结果表明，在针尖间隙相同的情况下，随着电压的增大，放电等离子体的发射光谱随之增强，并在一定电压范围内达到饱和。放电所产生的瞬态温度整体呈现上升趋势，并且通常在1.02～1.16 μs之间达到峰值，在针尖电压为10 kV时温度最高可达16 617 K。而在相同电压的情况下，随着间隙的增大，放电等离子体的发射光谱呈现先增强后减弱的情况，同时，放电温度在整体趋势上逐渐降低。

• 雷电对机载导弹的间接效应仿真分析

  范光程, 袁飞马, 章磊, 雷御虎, 阳刚, 李科连,

  导弹作为军机的挂载，在雷电特殊环境中存在遭受雷击风险。为了提高机载导弹的雷电防护，根据标准SAE ARP5416的试验方法在CST中搭建仿真环境，对“军机挂载导弹”模型采用静电场仿真进行雷电附着1A区划分，并采用注入电流法仿真模型遭遇雷击时的间接效应。仿真结果表明：导弹导引头固定后沿（金属部分）和尾翼翼尖易遭受雷电初始附着，当雷电附着于导弹导引头固定后沿时，雷达罩内的电磁场环境最为恶劣，并且碳纤维复合材料（CFRP）舱段内产生的强电场环境和线缆的高感应电压会损坏弹内设备，而CFRP镀铝可将舱段内电场强度和线缆感应电压降低2个数量级，有着良好的雷电电磁屏蔽效果。

• 基于肖特基二极管的310 GHz紧凑型接收机前端

  丁江乔, 梁启尧, 蒋均, 刘戈, 何月,

  肖特基混频器是固态太赫兹接收系统的关键部件，与基于超导体-绝缘体-超导体混频器、热电子辐射热计混频器的接收机相比，基于肖特基二极管混频器构建的太赫兹接收机系统不依赖低温附属设备，具有成本低、重量轻、体积小、功耗低等优点。目前基于肖特基二极管混频器构建的太赫兹接收前端结构相对复杂，集成度普遍不高且损耗较大。针对太赫兹接收前端结构复杂、集成度低、损耗大等问题，基于太赫兹肖特基二极管设计了288～318 GHz二次谐波混频器及其本振驱动链路，并基于此混频器构建了太赫兹接收机系统。太赫兹接收机本振驱动链路由一个75 GHz的六倍频功放集成模块与一个150 GHz二倍频模块组成。本振链路的集成化设计使得该接收机集成度大大提高，集成模块尺寸为20 mm×20 mm×43 mm，测试结果表明：在288～318 GHz带宽内，实测的双边带变频损耗为5.8～9.4 dB，噪声温度为1 055～1 722 K，具有良好的射频性能。

• 一种高功率微波发射阵列天线设计和试验

  毛永艳, 张帆, 田川, 解江远, 金兆鑫,

  设计了一种用于高功率微波发射的S波段波导缝隙阵列天线。采用耦合波导和馈电波导同层排布的方式减小了天线的剖面高度，通过耦合缝隙同向偏置，辐射缝隙按照一定规律排布补偿相位，实现了缝隙单元方向图同相叠加，对缝隙参数、功分器形式与功率容量的关系进行了仿真分析，并在天线内部充入0.1 MPa SF6气体，提高了天线的功率容量。仿真和试验结果表明，在6.7%带宽内，天线电压驻波比小于1.5，增益达到27 dBi，采用窄谱高功率微波源激励天线并进行了高功率微波发射试验，天线的发射波形与微波源的输出波形具有良好一致性，测试的微波源输出功率为2.67 MW。

• 一种小型化超宽带同轴巴伦的设计与实现

  张新林, 郗松岳, 姜博, 陈鹏, 黄星, 路宏敏,

  集总参数巴伦尺寸小且易集成，但其不能承受较大功率，且频带较窄；分布参数类同轴巴伦因其具有宽频带、低损耗、大功率容量等特点，目前被广泛应用于大功率辐照天线的差分馈电与阻抗匹配的设计中。针对某试验系统对宽频带大功率辐照天线的工程应用需求，基于非整数阻抗变化比的同轴巴伦设计方法，设计与实现了一款加载铁氧体磁环的阻抗变换比1∶2.25的同轴巴伦。仿真结果与实测结果表明，该巴伦频带为0.01～1.30 GHz，巴伦相位不平衡度在180°±5°以内，幅度不平衡度在±1 dB以内，两路插损均小于1.5 dB。仿真分析了巴伦在500 W功率馈电下的电性能，验证了其功率容量。

• 基于对差分结构的320 GHz三倍频器

  张筱健, 蒋均, 田遥岭, 杨昊, 何月, 李若雪, 刘戈,

  结合高频特性下肖特基二极管有源区电气模型建模方法，实现了一种基于对差分结构的320 GHz三倍频器，相比于传统的平衡式和非平衡式电路，这种结构可以在降低工艺复杂度的同时使电路的功率容量增加一倍，更好地满足现代通信系统对大功率太赫兹频率源的需求。为了提高电路在高耗散功率下的仿真精度，使用符号定义器件在电路仿真软件中建立起新型的电-热自适应模型，最后按照场路结合的迭代方式完成整体电路设计。测试结果表明设计的三倍频器在123～200 mW的驱动功率下可以实现最高8.8%的转换效率，最大输出功率为17.27 mW；在305～384 mW的驱动功率下可以实现最高7.2%的转换效率，最大输出功率为27.33 mW，为高功率太赫兹器件的高效设计提供了有益借鉴。

• 一种用于波导中传动轴的级联宽带扼流装置

  董涛, 王秀芳, 倪泰来, 王皓, 王邦继, 刘庆想,

  为了抑制波导中引入传动轴导致的微波泄露，保障系统的正常运行，提出了一种级联宽带扼流装置。利用阻抗变换原理分析了级联宽带扼流装置的带宽特性，通过增加介质片的数量提升扼流装置的频带宽度。根据等效波长原理，提高介质片介电常数可缩小扼流装置的体积。通过电磁仿真软件构建扼流装置模型，并分析了介质片数量、介电常数和尺寸对扼流装置性能的影响。仿真结果表明：工作频率为10 GHz时，双层扼流装置的泄露损耗在9.70～10.82 GHz带宽范围内小于−40 dB，相对带宽达到8.2%。最后，采用简化仿真模型进行了实物加工和测试，测试结果证实了仿真结果的正确性，同时验证了该扼流装置的低损耗和宽频带特性。

• 高能闪光照相阵列屏非一致性响应校正技术

  管永红, 唐志鹏, 景越峰, 危才华, 刘进,

  阵列屏采用大量独立晶柱组合而成限制了可见光在转换屏内的扩散，能够在提高X光转换效率的同时保证照相系统有较高的空间分辨能力，是高能闪光照相系统中的重要器件。阵列屏由于各晶柱之间的转换系数不同而导致接收图像中存在非一致响应现象，必须将其校正才能对图像进行有效判读。研究了中阵列屏接收图像中非一致响应现象的校正方法，首先使用平板照相获得空场图像，然后对实验图像和空场图像扣除暗电流本底和消除脉冲噪声，最后将实验图像与空场图像进行像素相除运算。针对强振动环境下空场图像与实验图像不匹配问题，提出对空场图像进行位移的方法以实现空场图像与实验图像的重新匹配，采用校正后图像的标准差数据来判断两者的匹配性。实验结果表明位移后的空场图像能够校正强振动环境下阵列屏图像的非一致性响应。

• 合肥先进光源储存环超导纵向梯度弯铁样机研制

  陈超, 杜双松, 胡锐, 李为民, 王琳, 冯光耀,

  介绍了合肥先进光源储存环超导纵向梯度弯铁样机的研制工作，基于已发展的一种磁体结构参数优化方法，综合考虑磁场空间分布需求和超导线圈工作负载，完成了磁铁结构的设计和优化。为了验证磁体设计方案，应用一种矩形铌钛线材和DT4C电工纯铁材料，研制了一台纵向长度0.30 m、磁极间隙46 mm的磁体样机。并搭建了一套简易低温测试装置，对该磁体进行了励磁特性测量，经过10余次失超，测得磁体最大工作电流大于275 A。磁体纵向磁场分布测量结果表明，该磁体在约196 A工作电流下，纵向磁场积分值达到0.4 T·m，峰值磁场约4.5 T。测试结果与理论设计结果基本一致，表明该种超导磁体的设计是可行的。

• 300 MeV质子重离子加速器直线注入器定时系统设计与实现

  韩小东, 刘冬娥, 许哲, 张瑞锋, 李世龙, 周睿怀, 丛岩,

  针对哈尔滨工业大学空间环境地面模拟装置（SESRI）-300 MeV质子重离子加速器直线注入器，设计了直线定时系统，为脉冲工作模式的直线注入器斩波器、高频低电平系统、束流诊断与反馈系统提供精准的、符合物理调束需求的工作时序触发信号。系统硬件基于现场可编程门阵列（FPGA）设计和开发，实现了内触发模式与外触发模式两种模式下对直线加速器相关设备的精准时序控制以及斩波器的控制与安全联锁。硬件支持光信号通信、W5300以太网通信、多路继电器输出与多路同步触发信号的精准时序输出。同时，系统采用光信号通信模块方便系统的级联，易于系统扩展，可满足大规模直线加速器定时系统需求。用户上位机软件基于实验物理和工业控制系统（EPICS）分布式架构开发。该系统已成功运用在300 MeV质子重离子加速器装置、近代物理研究所SSC-LINAC装置，且长期运行稳定、可靠，无任何故障。

• 基于静力水准系统的ATL模型研究

  程竹兵, 李笑, 王巍, 吴恩辰, 丁婷, 张秋雨, 何晓业,

  粒子加速器运行时，地面变形会导致束流畸变甚至丢失，所以在粒子加速器领域对地面变形进行研究很有必要。通过在合肥光源直线加速器隧道先后搭建两套并行分布、由7台间隔10 m的静力水准传感器构成的静力水准系统，经过对两套系统采集的共计三段为期半个月的监测数据进行分析，发现了ATL模型中存在的线性关系，分别得到不同时段本地区模型常数值，并发现了模型常数与季节温度的相关性。最后通过数据对比发现地面点相对运动中的周期成分主要受固体潮效应影响。

• 1.3 GHz连续波超导射频腔的数字低电平射频系统和腔模拟器设计及测试

  刘奎, 王程, 黄宇轩, 朱坤托, 王滔,

  1.3 GHz连续波超导射频腔需要高精度低电平射频（LLRF）系统来稳定超导腔的电磁场。但由于1.3 GHz CW射频腔的高负载品质因数和宽电磁频段，射频腔在频域中的电磁带宽较小。射频功率源与射频腔体之间的微小电磁频率差异易造成发生器驱动谐振器控制系统的不稳定，最终导致腔体电磁场的变化。开发了一种自激环控制系统，以防止“有质”不稳定性的发生，并补偿微噪声的影响。此外，还开发了数字1.3 GHz射频腔体模拟器，用于验证LLRF系统的设计算法。测试表明，即使在射频腔失谐5 Hz时，自激励控制系统也能确保腔场的稳定性。经过对比，验证了1.3 GHz射频腔体模拟器是测试新算法的可靠平台。

• 使用快速傅里叶变换优化周期参数的EMD-FFT-SARIMA光伏发电预测模型

  熊川羽, 廖晓红, 何诗英, 陈然, 王巍, 臧楠, 王瀛, 肖梦涵,

  根据分布式能源工业园区的光伏电力单元特点，对园区光伏发电功率预测模型进行优化，为后续的调度策略提供数据支持。针对经验模式分解（EMD）与季节性差分自回归移动平均模型（SARIMA）相组合的EMD-SARIMA预测模型中，原始数据经过EMD分解得到的各固有本征模态函数（IMF）分量周期计算问题，提出加入快速傅里叶变换（FFT）的周期计算方法，建立EMD-FFT-SARIMA光伏发电功率预测模型。再将每个IMF对应的预测结果进行叠加重构得到最终的预测结果。通过预测结果的误差计算可以发现，加入FFT环节后均方根误差（RMSE）从120.6 MW下降到19.3 MW，平均绝对误差（MAE）从52.87 MW下降到12.3 MW。

• 具有负压关断的MOSFET栅极快速驱动电路设计

  殷亚昆, 段章超, 王永刚, 姜松, 李孜,

  设计了一款用于全固态Marx发生器的半导体开关驱动电路。该驱动电路输出侧采用储能电容与P-N双MOSFET管结构，可完成对固态Marx脉冲发生器功率回路开关管快速同步的导通关断控制，并具有死区时间调节与负压关断功能。此外，该驱动电路配合串芯磁环二次侧反向接线方案，可实现用同一信号对功率回路充、放电两路开关管的控制。实验证明，采用该款驱动电路的半桥型全固态Marx脉冲发生器可稳定输出幅值24 kV的脉冲方波，输出脉宽可在300 ns～10 μs之间自由调节，上升沿和下降沿均在40 ns以内。

• 临界事故报警系统的相似性

  徐源, 江世航, 杨海峰, 易璇, 邵增,

  为了确定用于场所监测的临界事故报警系统合适的报警阈值，需选用相似的基准实验进行验证。根据设备室临界事故报警系统的特征，构建了简易模型和具有代表性的包含多个设备的虚拟设备室模型。针对固定源问题，在蒙卡程序（RMC）中实现了基于微分算符抽样法计算敏感性系数的功能。随后，运用敏感性和不确定度分析方法对系统间的相似性进行了研究，并深入分析了影响相似性的因素。计算分析结果显示，对于简易模型，源项能谱和混凝土材料对系统间的相似性有较大影响，探测器与内侧墙面之间的混凝土厚度对相似性有一定影响，而源项的几何位置对相似性的影响较小，乏燃料成分对相似性的影响可以忽略不计。根据本文提出的相似性分析流程进行计算得出，简易模型与虚拟设备室模型的相似性较高，基于简易模型的研究结论适用于虚拟设备室模型，可为工程上的临界报警系统相似性研究提供参考。

• 基于多重注意力机制与响应融合的孪生单目标跟踪算法

  冯文亮, 孟凡宝, 余川, 游安清,

  针对孪生全卷积网络的单目标跟踪算法因无法提取到目标的高层语义特征和无法一次性集中关注并学习到目标的通道、空间及坐标特征导致在复杂场景下面临目标形变、姿态变化及背景干扰等挑战时，出现跟踪性能下降以及跟踪失败的问题，提出了一种基于多重注意力机制与响应融合的孪生网络单目标跟踪算法用来解决这一问题。在该算法中设计了小卷积核与跳层连接特征融合的深层骨干特征提取网络、改进型注意力机制及卷积互相关后的响应融合运算这3个模块用来提升该算法的跟踪性能，并通过消融实验验证了这3个模块的有效性。最后，经在OTB100基准数据集上测试，跟踪精确度达到了0.825，跟踪成功率达到了0.618。同时与其他先进算法进行对比，结果表明该算法不仅可以有效应对复杂场景下目标跟踪算法性能下降的问题，还可以在保证跟踪速度的前提下，进一步提高跟踪的精度。

• 离子推力器碳基材料栅极研制与应用现状及启示

  高斌, 李娟, 耿海, 王彦龙, 陈娟娟,

  离子推力器是广泛应用于空间航天任务的电推力器之一，栅极在离子推力器中承担着引出离子并加速进而实现推力的作用，直接影响推力器性能及寿命。相比于传统钼栅，碳基栅极具有热膨胀系数低、耐离子溅射高等优势，是未来高比冲、大推力、长寿命离子推力器栅极的理想候选材料，已被国外部分先进离子推力器成功在轨应用。分析对比了不同栅极材料特性，调研总结了国内外碳基栅极研制过程及技术特点，并报道了作者近期在小口径不同构型C/C栅极与一体化C/C栅极研制方面的相关进展，最后针对我国离子电推进发展趋势，提出了后续碳基栅极研究的经验启示与建议。

• 原子力显微镜加工轨迹测压电剪切叠堆二维高频运动位移

  尹若楠, 薛勃, 张津铭, 吴哲,

  针对两轴压电剪切叠堆在高频电压驱动下的二维高频运动的位移测量问题，提出使用（AFM）探针在敲击模式下的加工痕迹测量压电剪切叠堆运动位移的方法，首先制备热塑性聚合物聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜，随后进行AFM探针敲击加工实验，扫描AMF探针加工轨迹并对其进行后处理，成功得到压电剪切叠堆的二维高频运动位移，实现了以半接触的方式对压电剪切叠堆二维高频复杂运动的准确检测，并依据实验数据对压电剪切叠堆二维运动位移随电压幅值及频率的变化情况进行分析。实验结果表明，在10 Hz～5 kHz的激励信号频率范围内，所提出的方法能准确测量压电剪切叠堆的运动位移。

• S波段MW级高效互耦磁控管模式分布调控

  郑琼, 毕亮杰, 沈大贵, 李海龙, 秦雨, 王彬, 蒙林, 殷勇,

  磁控管高效互耦锁相为基于电真空振荡器的高效率、高功率阵列提供了一种有效的技术方案。互耦结构的引入使得互耦磁控管整体上建立了新的谐振模式序列，其中满足互耦磁控管高效锁相的模式为期望的锁相模式。然而，锁相模式易受到模式序列中邻近模式的干扰，导致工作不稳定。提出一种等效电路与本征模分析相结合调控模式分布的方法，通过调控模式频率分隔，使锁相模式单模工作；同时建立磁控管工作模式与互耦结构耦合场匹配的谐振条件，实现磁控管的高效互耦锁相。为了验证该方法的有效性，设计了基于S波段MW级磁控管高效互耦模型，对锁相模式工作特性进行了粒子模拟，模拟结果表明互耦模型可以稳定工作在高效锁相模式：0相位差模式和π相位差模式，锁定频率约为2.545 GHz，接近磁控管单管自由振荡频率。每只磁控管的输出功率接近单管自由运行时的输出功率，电子效率与单管几乎相同，互耦锁相效率达到了99%，实现了高效锁相。

• 10 kV百纳秒前沿百微秒方波脉冲源的研制

  唐梦媛, 蒋泽赟, 丁卫东,

  针对宽频测量系统量值传递需求，基于Marx电路设计了一款单极性方波脉冲源。该脉冲源以MOSFET器件为核心，采用光纤隔离驱动方案实现10 kV的方波脉冲输出。采用叠层结构搭建12级样机，实现了脉冲发生器的模块化与小型化。实验结果表明：该方波脉冲源在带300 pF以下的容性负载时可实现前沿小于百纳秒、输出电压kV级别、脉宽200 μs的脉冲输出。该电源适用于宽频测量设备的方波响应性能实验等脉冲功率相关用途。