强激光与粒子束杂志

强激光与粒子束杂志2025年第7期

• 激光驱动X射线源实现金属激光增材制造原位表征

  温家星, 郭航, 吴思辛, 朱涛, 曾高杰, 彭茂, 樊思劼, 叶翰晟, 巩强, 魏来, 范全平, 向祥军, 李松, 王少义, 杨月, 魏见萌, 王浩, 郑吟龙, 沈显峰, 钱佳毅, 朱佳诚, 张宗昕, 吴玉迟, 王文涛, 许毅, 黄姝珂, 赵宗清,

  金属激光增材制造中的孔洞缺陷通常起源于熔池内部，并呈现出微观且高度动态的演化特性。采用高时空分辨的X射线透视成像技术，可对缺陷的产生与演化过程进行原位观测，对于揭示缺陷形成机理和优化工艺参数具有重要意义。基于超强超短脉冲激光驱动的Betatron辐射源，发展了面向金属激光增材制造的高时空分辨X射线透视成像技术，并开展了不同工艺参数下微熔池的原位表征研究。结果表明，利用Betatron辐射源可实现对百微米厚度金属样品中熔池及匙孔动态结构的透视成像，空间分辨率达到4 μm。该研究为激光驱动X射线辐射源在金属激光增材制造中缺陷形成机理及工艺优化方面的应用奠定了重要基础。

• −50～50 ℃超宽温运行光纤激光器实现2 kW功率输出

  王鹏, 吴金明, 王小林, 杨明烨, 张汉伟, 吴函烁, 奚小明, 习锋杰, 许晓军, 陈金宝,

  提高光纤激光器的宽温运行能力，可有效提升光纤激光器在极端高低温条件下的环境适应能力与运行可靠性，确保其在复杂工况下的稳定输出，为相关领域的技术革新与产业升级提供支撑。近期，国防科技大学利用光纤耦合半导体激光器直接泵浦实现了可在−50～50 ℃内稳定运行的近单模全光纤激光振荡器，输出功率达到2 kW，是目前公开报道的宽温度范围运行光纤激光器最高输出功率水平。

• 基于光腔衰荡大口径取样光学元件性能测试与缺陷分析

  周文超, 邓婷, 彭琛, 曹玉龙, 魏蔚, 刘斯靓, 王静,

  针对前表面高反、后表面增透的取样光学元件的性能测试需求，基于光腔衰荡大口径光学元件反射率均匀性测试实验装置，分别从反射膜面入射和增透膜面入射，扫描测量得到该取样光学元件的反射率分布及光学损耗、缺陷高分辨扫描成像；并进一步通过对比分析缺陷分布图，实现取样光学元件反射膜、透射膜以及基片缺陷分类；另外通过建立双通道光腔衰荡实验装置，获取增透膜的剩余反射率分布以及透射膜缺陷类型；实现了大口径取样光学元件光谱和缺陷特性的准确测量。

• 超快超强激光系统中消色差透镜组装调误差引入的“空-时”耦合畸变分析

  许浩天, 王逍, 李伟, 孙斌, 王冀敏, 卫鹏宇, 母杰, 李纲, 左言磊,

  在超快超强激光系统中，通常会使用消色差透镜组代替普通的扩束透镜，以消除后者自身存在的色差导致的脉冲激光的“空-时”耦合（STCs）畸变。然而，消色差透镜组对装调精度要求非常高，装调误差的存在会引入新的“空-时”耦合畸变，使脉冲激光的远场功率密度下降，达不到预期的消色差效果。针对工程实践中常见的几种消色差透镜组装调误差，详细分析了其引入的“空-时”耦合畸变，并且根据其对远场聚焦功率密度的影响给出了不同种类装调误差的容许范围。分析过程采用了宽光谱脉冲激光传输演化模型及厚透镜等效位相屏演化模型，该模型可以精确地表征激光近远场的“空-时”特性。

• 基于Transformer模型的光学元件温度预测方法

  胡豪, 杨晓峰, 王端, 冯谦, 胡争争,

  采用Transformer模型来解决多物理场耦合作用下的光学元件实时温度预测难题。试验结果表明，与经验模型法相比，Transformer模型法在均方根误差和平均绝对误差2个指标上分别提升70%和32%；与LSTM法相比，Transformer模型法在均方根误差和平均绝对误差2个指标上分别提升66%和23%；Transformer模型法的决定系数值更加接近1，表明模型的预测结果与真实值吻合度更高。

• 相对论强流电子束驱动的X波段同轴回旋管腔体设计

  安晨翔, 周宁, 陈坤, 王登攀, 李冲, 桂猷猷, 杨以航, 崔新红, 史彦超,

  在爆炸发射阴极驱动下，相对论回旋管常因超高束流电流（＞300A）易发生虚阴极现象，电子束也极易轰击导体内表面，并伴随回旋共振（Cyclotron Resonance）和回旋返波振荡（Gyro-Backward-Wave Oscillation, BWO）模式的非预期激励。采用通过理论分析与三维粒子模拟相结合的方法，系统探究了X波段同轴回旋管腔体在强流相对论电子束（Intense Relativistic Electron Beam, IREB）驱动下的电磁特性。结果表明，通过腔体几何优化与电子束参数匹配可实现强流相对论电子束的稳定传输与TE01单模工作。腔体品质因数(Qcav)的合理取值对于抑制寄生模式竞争至关重要。当Qcav＜65时，会激励TE21-BWO模式；当Qcav＞90时，会激励TE31回旋共振模式；而Qcav=65～90区间内可稳定维持TE01单模振荡，输出功率达35 MW（电压300 kV、电流500 A、横纵速度比1.2），对应效率34.4%。进一步研究表明，该腔体对电子束速度零散（Δβ＜25%）具备显著鲁棒性，为高功率微波源设计提供了重要参考。

• 基于U形防护结构的小型化倒F电磁防护天线

  刘伦屹, 张庆, 张束, 杨峻一, 刘良, 熊泉杰, 陈琦, 李少甫,

  提出了一种小型化平面倒F电磁防护天线，通过在平面倒F天线上加载U形防护结构，实现了天线在正常工作状态与电磁防护状态间的自适应切换。通过在平面倒F天线上加载U形防护结构，并将该结构通过PIN二极管与天线相连接，在正常工作模式下，当接收信号功率低于阈值时，PIN二极管处于截止状态，U形防护结构不影响天线正常辐射特性，当遭遇高功率微波攻击时，U形防护结构中的PIN二极管两端会感应产生较大的感应电场，使PIN二极管迅速导通形成低阻抗通路，此时U形结构与馈线构成闭合回路，阻止高功率微波通过天线进入后端电子设备，从而实现电磁防护。通过优化U形结构的几何参数与二极管加载数量，使其在保持小型化优势的同时，具备良好辐射特性和防护性能。实测结果表明，天线具有17.2%的相对带宽，在1.57 GHz中心频点处增益达到2.36 dBi。仿真结果表明，该设计在电磁防护状态下能实现16.4 dB的防护水平,天线辐射体电尺寸仅为0.25λ×0.06λ（λ为波长），实现了电磁防护天线的小型化设计。

• 开关线性混合电源设计

  周宁, 詹荣霖, 燕宏斌, 张华剑, 李继强, 王晓俊, 高大庆, 郭宏亮, 谭玉莲,

  随着粒子加速器物理实验的深入研究，对束流质量的要求逐渐提高。为获得极高稳定度和极低噪声的磁场环境，分析设计了开关模式和线性模式结合的高精度直流励磁电源。前级开关电源提供稳定的功率来源，串联后级线性电源控制电流线性放大后进行输出。在电源电流和管压降控制环路基础上，通过对关键部件的温度补偿措施，进一步提高了输出电流的稳定度；通过对后级线性电源的模块化设计，减小了电源体积并提高了运维便利性。实测结果表明：8 h长期电流稳定度达到1.3×10−6，且噪声极低。

• 射频栅控电子枪的仿真分析及优化设计

  王钰杰, 何小中, 秦臻, 唐若,

  加速器的束流品质直接影响着其应用性能，电子枪的结构决定了加速器的初始束流状态。优化针对花瓣加速器所适用的射频栅控电子枪，减小其发射度可得到更高的CT成像分辨率。模拟分析基于CST的Particle Tracking求解器得到了归一化发射度0.4918 mm·mrad、峰值流强35 mA的束流，并且讨论了电子枪结构改变对电子枪发射度以及TWISS参数的影响。结果表明，当聚焦极角度改变时对归一化发射度具有较大影响，且在67.5°、60°和45°中，60°度的归一化发射度最小为0.2617 mm·mrad。

• 机器学习在BEPCII超导腔故障分析中的应用

  曾童科, 戴建枰,

  超导腔故障的传统分析方法依赖先验知识，人工和时间成本较高，准确性和一致性较差，并且在处理复杂设备和大量数据时效率较低。机器学习技术能够提高故障分类的准确性和效率，减少主观判断造成的人为误差。研究了基于机器学习算法的超导腔故障分类方法，即，基于BEPCII运行过程中产生的超导腔故障图片数据，通过图片信息提取、特征选择与优化、机器学习算法训练、利用K折交叉验证分析模型准确率与一致性等，实现了对超导腔故障的分类。研究结果表明，随机森林算法、支持向量机与Bagging分类算法在处理故障图片时有更好的分类效果，有监督学习方法的准确性和一致性明显高于无监督学习。研究中实现的故障分类达到了较高的准确率和一致性，有助于快速高效地区分BEPCII超导腔上发生的故障，同时为其他加速器中超导腔故障的诊断提供参考。

• 快脉冲超导螺线管的多场行为数值分析与实验研究

  刘美楼, 吴北民, 马力祯, 尹永智, 任文辉, 杨通军, 董学城, 欧贤金, 姚庆高, 乔威宇,

  北京大学拍瓦激光质子加速器针对肿瘤治疗需求，开发激光质子放疗系统，实现质子放射肿瘤治疗。其水平束流线和垂直束流线的公共收集段主要由三台超导螺线管（S1～S3）组成。在降温过程和励磁过程中螺线管内会产生较大的应力，此外超导螺线管采用快脉冲的方式运行，励磁过程中的交流损耗会对螺线管励磁速度和稳定运行有重要影响。以结构最复杂、中心场强为7.8 T、直径120 mm的螺线管S1为研究对象，使用COMSOL Multiphysics软件对超导螺线管进行了多场条件下的应力分析，同时对其由于快速变化的电流所产生的交流损耗进行了模拟计算。随后开展了相应的实验研究，获得了应变随温度变化，给出了电流、磁场、应变三者对应关系的变化曲线。在实验过程中，磁场和应变的测量值与电流的变化之间存在显著的正相关性，应变值小于线圈所受应力的最大限值，验证了超导螺线管设计的合理性。

• 利用八级铁校正衍射极限环中的失谐效应

  宣守智, 田顺强, 刘新忠, 龚奕豪, 毛凌龙,

  新一代光源具有极低发射度，产生更高亮度的同步辐射光，探索更小物质尺度。低发射度会使得四级铁强度提高，产生较高的自然色品，需要六极铁校正这些自然色品。为了达到衍射极限环要求，上海同步辐射光源升级改造（SSRF-U）设计新磁聚焦结构，低发射度设计，在3.5 GeV束流能量下实现了72.2 pm·rad的自然发射度。然而，由于高强度六极铁产生高度二阶共振驱动项会引起失谐效应，降低储存环性能。为了解决这个问题，计划在SSRF-U存储环中安装八极铁。介绍了八极铁选择和优化方法。得到了SSRF-U存储环的最优方案，可以有效地缓解振幅相关的调谐频移项和二阶色品，从而提高动力学孔径（DA）和动量接受度（MA），提高对磁场误差的容忍度。

• 深圳产业光源储存环四六极磁铁的设计和优化

  朱加伍, 张淼, 王勇,

  相较于第三代同步辐射光源，基于多弯铁消色散(Multi-Bend Achromat, MBA)磁聚焦结构的第四代同步辐射光源可以进一步降低束流发射度达1～2个数量级，从而进一步提升光源亮度和相干性。深圳产业光源(Shenzhen Innovation Light-source Facility, SILF)储存环的周长为696 m，束流设计流强为200～300 mA，发射度约84 pm·rad。根据目前储存环物理设计，共有11种四极磁铁、4种二四极组合功能铁和3种六极磁铁。由于物理设计对磁铁的积分磁场均匀性提出了更高要求，开发了基于Opera-2D®的四六极磁铁磁极面优化程序，该优化程序同时考虑了磁铁的端部磁场效应，从而大大提高了优化效率。首先介绍了深圳产业光源四极磁铁、二四极组合功能铁及六极磁铁的初步设计，然后详细介绍了基于Opera-2D®的四六极磁铁磁极面的优化方法。

• 4 MV静电高压离子加速器高压发生器优化设计

  魏哲宇, 李中平, 张子民, 申晓康, 曹树春,

  中国科学院近代物理研究所近期开展了一台静电高压型离子加速器的研制工作。高压发生器作为该类型加速器的核心部件，要求最高工作电压达到4.2 MV、电压不稳定度小于±0.1%、纹波系数小于±0.1%的性能指标。针对设计指标，首先通过模拟仿真对高压发生器整体结构进行了设计与优化，从而支撑提升设备运行的安全性和稳定性。针对高压发生器中的重要组成部分，高频变压器部分，采用场路耦合的方法对其电路结构和电气参数进行了分析与优化，并改进了变压器的散热结构，从而确保高频变压器的输出稳定。最后介绍了高压发生器的高精度稳压设计方案，为提升高压发生器控制性能，进一步保证设备安全稳定运行提供了思路。研究结果表明，高压发生器设计能够满足项目技术指标的要求。

• 表面复合改性对真空沿面闪络的双重抑制

  霍艳坤, 刘文元, 何亚姣, 王红洁, 柯昌凤, 程军,

  为提升绝缘材料真空沿面耐压，提出了一种由微槽与分子自组装膜结合的复合结构，并采用激光微刻蚀、超声清洗、分子自组装等方法，在氧化铝真空绝缘子表面制备了该表面复合结构。作为对比，同时制备了仅有微槽或分子自组装膜的绝缘子。二次电子发射系数测试结果表明，表面微槽结构和表面分子自组装膜都可以降低绝缘子的二次电子发射系数，而他们相结合形成的复合结构能够进一步降低绝缘子的二次电子发射系数；相应地，闪络电压测试结果表明表面微槽结构和表面分子自组装膜都可以提升绝缘子的真空沿面闪络电压，而两者相结合形成的复合结构能够进一步提升闪络电压。该结果证明了复合结构中分子自组装膜和微槽能够对真空沿面闪络的发展进行双重抑制。

• 一种兆伏级电触发开关的触发脉冲引入方法

  尹佳辉, 魏浩, 孙凤举, 姜晓峰, 梁天学, 罗维熙, 张信军, 张天洋, 呼义翔, 邱爱慈,

  采用电脉冲触发兆伏（MV）级开关，触发器与被触发开关之间既需要良好的电气连接以保证触发脉冲的有效施加，还需要隔离保护措施以避免开关导通后形成的MV级主脉冲反馈回触发器导致其损坏。介绍了一种用于MV级电触发开关的触发脉冲引入方法，该方法将保护电阻放置在脉冲传输线的内外筒之间。当开关导通后，形成的MV级主脉冲经保护元件后再反馈回触发电缆。由于保护电阻与触发电缆之间近似按阻值（阻抗）分压，因此耦合进入触发电缆的脉冲的幅值远低于主脉冲的幅值，而保护电感能够有效抑制开关在导通过程中形成的快前沿、高幅值的电脉冲。结合提出的触发脉冲引入方法，讨论了开关导通过程对触发保护元件的影响，结合等效电路分析了保护电阻、保护电感所起的作用，实验研究了保护元件参数对开关触发特性的影响，最终将这两个保护元件的参数分别设定为500 Ω和2 μH，在此配置下开关在2.6 MV工作电压下实现稳定运行。

• 强电磁脉冲下继电保护装置端口的场线耦合特性

  姚丁丁, 张卫东, 金龙, 周泽昕, 周广龙,

  强电磁脉冲会以场-传输线耦合的方式在线缆上形成纳秒级上升沿的脉冲传导骚扰，对线缆末端的设备构成较大威胁。针对某型号继电保护装置，先测试其抗扰度性能，然后开展场线耦合路径下的高空电磁脉冲辐照试验，获得了装置端口的耦合特性。耦合到信号端口的共模电流达32.45 A及以上时引发了该装置的误动作。同时开展了脉冲电流注入试验，注入信号端口的脉冲电流达36.92 A及以上时该装置误动作，进一步确定了装置端口的临界干扰阈值。通过建立变电站内二次电缆和保护屏柜内信号线缆的场线耦合模型，计算了不同场景下高空电磁脉冲产生的耦合量，提出了场线耦合的防护重点。研究结果可为继电保护装置在强电磁脉冲环境下的抗干扰能力评估与防护技术提供参考。

• 热管冷却反应堆堆芯热力耦合程序开发

  孙腾, 柴翔,

  为研究接触和轴向功率对热管冷却反应堆堆芯热力学性能的影响，基于FEniCS开源平台开发了一套热力耦合分析程序。该程序使用简化方法求解二维、三维接触压力，主要包括间隙传热模型、线弹性力学模型和多维接触压力求解模型。以MegaPower反应堆为对象，首先使用商业软件ANSYS验证了程序的准确性，然后对堆芯进行热力耦合模拟，分析温度及Mises应力场。结果表明：考虑接触时，燃料棒峰值温度显著降低，Mises应力有所减小；基体峰值温度变化不大，Mises应力却显著增大；轴向功率主要影响燃料棒Mises应力，基体Mises应力则主要受接触压力影响。

• 快堆多群截面处理程序MGGC2.0的验证与确认

  马续波, 马隆霄, 马旭东, 张腾, 陈相,

  基于多群截面的确定论计算方法一直都是反应堆工程设计的重要方法，多群截面精度直接影响着反应堆物理计算的精度。为了产生快堆高精度的截面数据，华北电力大学开发了高精度截面处理程序MGGC2.0，对该程序进行了基准验证和确认。基于ENDF/B-Ⅶ.1库计算无限大均匀混合介质UO2、MOX、U-TRU-Zr燃料，将MGGC2.0与MCNP产生的宏观截面对比验证，验证了程序产生多群截面的精度，超细群宏观多群总截面与MCNP的参考解的相对偏差基本在5%以内。然后对俄罗斯快堆实验BFS97-1进行了计算，提出了针对多种燃料排布形式的燃料少群截面均匀化方法，利用MGGC2.0的碰撞概率法计算了燃料的少群截面数据，利用DIF3D程序进行堆芯计算，同时还对比了不同截面均匀化方法的结果。研究结果表明：对于BFS97-1，如果直接采用临界搜索产生的截面，DIF3D计算的有效增殖因数（keff）结果与MCNP计算的keff的绝对偏差为2.541×10−2，通过改进燃料轴向不均匀计算方法，使得偏差降到了5.0×10−4以下。针对BFS97-1、BFS97-2、BFS97-5和BFS97-6的计算结果与MCNP结果的偏差都在3.0×10−3以内，验证了程序产生多群和少群截面具有较高精度，可以满足工程设计要求。

• 基于机器学习的波形数字化系统通道误差校准

  焦喜香, 韩特, 杨静, 郭玉辉,

  为了提升基于模拟数字转换（ADC）技术的波形数字化读出系统的性能，提出了一种多通道间失配误差估计校准方法。采用两片国产高速ADC组成并行交替采样（TIADC）系统，采用粒子群算法（PSO）结合梯度下降法（GD）来完成系统通道失配误差估计；利用滤波器方程组和Kaiser窗截断处理得到补偿校准滤波器系数值。该补偿方法可以直接在以现场可编程门阵列（FPGA）为处理芯片的TIADC硬件平台上实现，达成宽带并行交替采样信号的在线重构。实验结果表明，该算法可以有效实现通道失配误差的补偿校准，在Vivado开发软件平台行为级仿真条件下使无杂散动态范围（SFDR）由32.1 dBFS提升到53.1 dBFS，在硬件系统测试时使SFDR提升到60.8 dBFS，且该信号重构方法易在硬件系统实现，不受通道数目的限制。

• 面向战斗力指数定量分析的局部逼近方法

  郭恩泽, 刘国彬, 邹永杰, 刘正堂, 孙健, 张洪德,

  战斗力指数的定量化研究是军队实现信息化建设必须解决的难题。针对战斗力指数研究存在定量研究较少、方法精度较低、鲁棒性不强等问题，以及战斗力指数函数本身为复杂规则主导、多变量数学模型、影响因素强耦合等难以拟合的限制，受模糊逻辑理论中对规则的数学分析方法启发，提出了一种基于局部逼近的战斗力指数函数拟合方法，并结合神经网络强大的自学习和自推导能力，构建了相应的基于径向基神经网络（RBF）的定量计算模型。仿真对比实验表明，该方法比利用全局逼近的方法误差率低约2%和6%，且表现出更强的鲁棒性。该计算方法具有较强的实用性，而且具备向其他军事领域迁移的可能性，具备良好的工程应用前景。

• 基于氢等离子体加载的脉冲功率同步放大与质子加速技术

  马腾飞, 张婕, 张文宇, 叶思隽, 魏强, 肖堃, 潘静, 张程, 袁军,

  为有效解决驱动粒子反应需要的强电磁脉冲功率问题，在压电陶瓷堆脉冲功率源基础上研究了一种新型的基于氢等离子体加载和波粒共振机制的脉冲功率同步放大技术，其放大机理为：一是氢分子成键轨道比反键轨道能量低，在电离过程中会释放内能促进脉冲功率驱动的电离过程高效发生；二是氢原子电离后，电磁场与电离后形成的电子发生波粒共振，电子能量被同步转换为电磁场能量。波粒共振放大后获得更强的电磁脉冲能量，其作用到螺旋电极上可形成球形电磁场，并具有极高的加速梯度，可对氢原子高效电离后产生的大量质子进行近距加速。本文通过实验测试和仿真分析对上述理论进行了有效证明，该项研究有望为强电磁脉冲驱动的小型化、低成本质子发生器奠定基础。

• 近场电爆炸驱动受控核反应及其灵巧型中子源

  袁军, 张婕, 张文宇, 叶思隽, 魏强, 肖堃, 潘静, 马腾飞, 张程,

  介绍了一种小型化高通量中子源系统的工作原理、组成与构型，系统性地介绍了开发该型中子源系统所需的压电脉冲功率源技术、核反应设计技术、球形电磁场发生技术、粒子近距加速技术、粒子极化与共振对撞技术。研发了完整的中子源实物系统并对其进行能谱和通量测试，实验中观测到了预期的物理现象，通过在线与离线中子测试方法证明了核反应的发生，测试结果显示直径2 cm、长度为4 cm的新式微型中子源的中子辐射通量达到了1010 n/(cm2·s)水平，属于强中子辐射源。