基于锥形掺镱光纤实现20 kW高光束质量激光输出

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1 018 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。

长波段半导体激光泵浦光纤激光器实现2 kW功率输出

半导体激光(LD)泵浦的高功率光纤激光器具有效率高、体积小、重量轻、稳定性好等优点,在工业加工等诸多领域都有着广泛的应用。为了提高泵浦光吸收率,传统光纤激光器常用915 nm和976 nm波段的LD作为激光的泵浦源。在该类LD泵浦的光纤激光器中,由于量子亏损和泵浦吸收系数相对较高,光纤激光器的热致模式不稳定(TMI)阈值相对较低。为了提高量子效率和潜在的TMI阈值,提出采用大于1010 nm波段的LD直接泵浦光纤激光器,产生高量子效率激光。搭建了振荡放大一体化的全光纤激光器,采用总泵浦功率为2.56 kW的1010 nm波段LD泵浦,首次获得输出功率2.05 kW、光束质量M^(2)约1.7的激光。后续将通过进一步增大泵浦功率、优化光纤特性以实现更高功率、更优光束质量的光纤激光输出。

HEPS增强器凸轨磁铁脉冲电源的设计与实现

高能同步辐射光源(HEPS)是国内首台第四代同步辐射光源,包括一个储存环、一个增强器以及一个直线加速器。作为典型的低发射度储存环(LER),其动力学孔径远小于物理孔径,对此选择了一种新颖的在轴置换注入方案。其中,增强器负责实现束流从500 MeV到6 GeV的升能。为了降低增强器引出冲击磁铁的冲击强度,在引出环节之前使用4台凸轨磁铁来辅助冲击磁铁完成这一动作。凸轨磁铁磁场波形要求底宽小于1 ms的半正弦波。根据仿真以及测试结果,采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)串联快恢复二极管的经典LC谐振电路拓扑。此外,设计了能量回收支路,来降低电容在充电过程中功率损耗以及对输出脉冲电流波形的影响。目前,已完成脉冲电源样机的研制与测试,各项结果表明,该脉冲电源能够满足高能光源增强器高能引出系统的各项要求。

基于PFN-Marx技术的紧凑型重频脉冲功率源

针对低磁场相对论磁控管高功率微波器件实验驱动需求,对基于脉冲形成网络(PFN)储能的高功率脉冲产生技术进行了研究。为了使其结构紧凑且具有较好的输出脉冲波形,设计了半环形PFN脉冲形成单元,两个半环形带状PFN与一体化开关、绝缘盘组成圆环形高压脉冲产生模块。PFN脉冲形成单元由13个陶瓷电容与半环形金属电极板构成,多个高压脉冲产生模块同轴层叠,所有开关导通后各模块PFN串联放电,产生快前沿高功率方波脉冲,再通过对触发开关和充电电源的同步控制实现重频工作。采用电磁仿真软件对PFN物理结构进行优化设计,研制的高压脉冲产生模块充电51 kV在负载8.5Ω上输出电压峰值49.6 kV、脉冲半高宽108 ns、脉冲前沿14 ns、平顶(90%~90%) 74 ns,具有较好的方波特性;11个高压脉冲产生模块层叠集成为1个22级紧凑PFN-Marx装置,在充电51 kV的条件下,84Ω负载上获得峰值516 kV的高电压脉冲输出,半高宽104 ns、平顶63 ns、脉冲前沿11 ns,实现了20 Hz连续15 s重频稳定工作,输出波形完全一致。

微波脉冲大气击穿临界场强估计

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击穿时的延迟脉冲数,发现其与种子电子、脉冲击穿概率以及微波场强密切相关。研究发现,微波场强可通过作用于种子电子间接影响脉冲击穿概率和延迟脉冲数,由此提出利用延迟脉冲数估计微波击穿临界场强的方法,并定义在脉冲击穿概率大于一定值时的微波临界场强作为击穿阈值。推导了脉冲击穿概率的估计公式,并对估计量的性能进行了分析,随后利用S波段微波大气击穿模拟装置开展了实验验证。实验结果表明,在一定范围内,重复频率微波脉冲击穿延迟脉冲数仅与种子电子产生率和脉宽成反比,能用于估计脉冲击穿概率,进而给出击穿临界场强。

一种基于嵌套结构的锁频锁相高功率微波振荡器仿真研究

高功率微波(HPM)产生器件通过增加慢波结构的过模比使得功率容量显著提高。嵌套型结构让过模器件的空心结构或内导体结构得到使用,同时嵌套型器件的低阻抗使得其与低阻脉冲功率源能良好匹配。基于内外嵌套结构提出了一种锁频锁相高功率微波振荡器。相对于传统的锁频锁相方法,提出了基于耦合波导实现锁频锁相的新方法。内外相对论速调管振荡器(RKO)产生的微波信号通过耦合波导泄漏到高频结构中,对电子束进行预调制,从而实现锁频锁相。另外,为实现内外高功率微波通道合成,设计了双通道功率合成器。在振荡器的工作频点,功率合成器能弥补振荡器两输出通道相位差,使得功率合成效率提高,合成效率为98.3%。在二极管电压575 kV,磁场强度0.6 T条件下,内外RKO的微波输出功率分别为2.2 GW和3.2 GW,频率差波动小于20 MHz,相位差稳定在10°附近;加载双通道功率合成器,仿真结果表明,微波输出功率为5.31 GW,功率效率32.2%。结果表明,嵌套器件在互锁状态时,振荡器饱和时间缩短,输出功率增大。

高空核爆炸磁流体动力学电磁脉冲

高空核爆炸产生的磁流体动力学(晚期)电磁脉冲对电力系统等国家重要基础设施具有严重影响。由于晚期电磁脉冲产生的机理复杂,依赖因素众多,包括爆炸当量、爆高、爆炸方位、爆炸时间、观察点位置以及土壤电导率等,因此,目前还没有成熟的代码可以模拟整个晚期电磁脉冲的产生过程。介绍晚期电磁脉冲的产生机理,讨论晚期电磁脉冲电场随核装置爆炸当量、爆高和大气状况的变化关系。E3A电场峰值随爆炸当量线性增加,而E3B电场峰值则随爆炸当量增加出现明显的饱和效应。分析了当前晚期电磁脉冲模拟代码现状,为进一步研究晚期电磁脉冲数值模拟方法和代码研发提供参考。

基本舰船结构的辐射屏蔽因子研究

核辐射环境中,舰船、坦克的辐射屏蔽特性关乎着核安全、防护、效应评估以及决策应对等实际应用问题。瞄准舰船的核辐射屏蔽性能开展研究。针对舰船材料及典型结构,采用中子-光子耦合输运方法,定量给出中子源、γ源同时辐照下的辐射屏蔽效能。通过借助大规模并行技术,实现了该深穿透屏蔽问题的高效模拟。该辐照屏蔽研究中考虑了入射中子和γ以及次级γ粒子的综合叠加效应。通过模拟中子和γ分别入射不同厚度、不同材料壳体后的注量、剂量、能谱演化,计算获得了屏蔽体的入射中子、入射γ射线、中子和次级γ及其综合屏蔽因子,给出腔内的屏蔽因子分布规律,材料包括Fe、Al、Pb、船体材料HSLA100钢等,辐射源包括单能中子、单能γ以及核泄漏中子谱和γ谱。研究成果将为船体、坦克等的辐射防护性能的深入分析奠定基础,为核辐射效应评估、应急处理等提供理论支撑。

自研28 GHz/50 kW回旋管实现长时间连续运行

介绍了中国工程物理研究院应用电子学研究所针对磁约束聚变装置电子回旋共振加热(ECRH)系统、重离子加速器电子回旋共振(ECR)离子源以及前沿科技探索应用研制的28 GHz/50 kW连续波回旋管最新实验结果。研究团队在2019年该回旋管实现50 kW/30 s运行的基础上,通过结构优化和稳定性设计验证,最终实现了在10~50 kW功率范围多个功率水平的稳定长时间连续运行,典型运行结果为16 kW/3000 s、26 kW/900 s、46 kW/1800 s、50 kW/300 s,特别在输出功率32 kW连续稳定工作了400 min。这是国内首次研制出小时级连续工作的中等功率回旋管。

强流脉冲束流位置探测器标定技术

电子直线感应加速器性能提升对束流探测器提出了高精度测量要求,由此不仅要求高精度的探测器设计装配技术,而且也要求探测器的准确标定。从强流脉冲束流位置探测器测量原理出发,从理论和实验两方面开展强流脉冲束流位置探测器标定技术研究。在理论上采用解析方法,分析了不同的计算处理方法和标定方法的标定效果,提出了特征平面标定,在建立的位置标定系统上,对用于多脉冲电子直线感应加速器的No.23电阻环进行了标定实验研究,实验结果验证了理论分析结果,根据理论和实验研究结果,确定了强流脉冲束流位置探测器标定方法。

锂玻璃探测器^(6)Li原子数标定

在聚变包层中子学性能的实验检验中,造氚率是重要的测量参数之一,探测器中^(6)Li原子数目作为计算造氚率的归一化因子,是决定测量结果精度的关键因素,必须进行精确标定。对^(6)Li原子数标定原理、实验配置及过程、不确定度量化方法进行具体介绍,并首次在中国绵阳研究堆(CMRR)的M5水平孔道以锗单晶单色器获得32.36 meV中子对小型锂玻璃探测器中^(6)Li原子数进行了标定,不确定度为2.62%。

气体火花间隙开关通道电阻及热效应特性研究

针对一种应用于高功率重复频率Marx型脉冲功率源的两电极火花间隙气体开关,开展了火花通道电阻及其热效应特性研究,分析了火花间隙通道电阻热效应的影响因素,研究了重复频率连续工作条件下开关腔体内温度及气压变化。研究结果表明,开关腔体内气压和温度随着工作时间增长呈现先快速增加然后缓慢增长趋于稳定的趋势,脉冲电流幅值的增长对热量沉积的增加效果非常明显。研制的两电极火花间隙开关,在导通峰值电流14.7 kA、脉冲宽度160 ns的条件下连续运行9000个脉冲时,开关通道产生热量约36.6 kJ,在电流导通时间内,通过焦耳热效应计算得到开关导通时间内火花通道电阻平均值约0.12Ω。

氢闸流管驱动三同轴电缆Blumlein线的kHz重频脉冲功率源

闪光X射线摄影技术在军事和民用等多个领域具有重要场景。针对重频直线感应加速器高重频的要求,提出了基于氢闸流管驱动三同轴电缆Blumlein线的脉冲功率源方案,设计和研制了一种三同轴电缆,研究了氢闸流管的导通特性,搭建了氢闸流管驱动三同轴电缆Blumlein线脉冲功率源的验证平台,开展了kHz重频脉冲功率源实验研究,以及kHz重频脉冲功率源驱动重频感应腔的实验研究,结果表明:基于氢闸流管驱动三同轴电缆Blumlein线脉冲功率源实现了波形品质优异的kHz重频方波脉冲输出。

Al/Ta-Nb合金阻抗匹配靶的制备工艺研究

为了获得钽铌合金(Ta-Nb)材料在高压下的状态方程数据,制备了用于激光状态方程实验研究的铝/钽铌合金(Al/Ta-Nb)阻抗匹配靶。研究了Ta-Nb合金箔的精密轧制与飞秒激光切割工艺,获得了厚度13μm,宽度400μm的Ta-Nb合金台阶样品。使用聚乙烯醇(PVA)水溶胶将Ta-Nb合金台阶与铝(Al)标准材料进行复合装配。利用白光干涉仪、电子密度计等仪器对阻抗匹配靶的表面形貌、台阶厚度、样品密度等靶参数进行精密测量,结果表明研制的Al/Ta-Nb合金阻抗匹配靶能够满足激光状态方程物理实验需求。

同轴脉冲形成线振动环境适应性优化设计

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。

基于邦纳多球谱仪探测的中子能谱解谱研究

在中子辐射领域,中子解谱问题备受关注。邦纳多球谱仪常用于中子能谱探测,最大熵法可针对多球谱仪探测数据进行中子解谱。基于此原理,建立包含邦纳多球谱仪的仿真模型,以蒙特卡罗方法的模拟结果作为先验谱,使用基于最大熵原理的最大熵反卷积(MAXED)方法进行中子解谱,结果证明了方法的有效性和准确性。通过增加蒙特卡罗方法的随机粒子数,获得了精确度不同的多组先验谱,对于不同的先验谱,最终解谱结果均可获得统计学显著性,解谱结果有效。经过对比,先验谱越精准,最终解谱结果准确度越高,说明通过合适的降方差方法获得准确的蒙特卡罗计算结果至关重要,可为后续研究和实验提供参考。同步使用了基于迭代算法的GRAVEL方法进行中子解谱,两种解谱方法计算结果对比进一步证明了MAXED方法解谱的优越性能。

多路激光集束的焦斑测试技术

为了实现多路激光集束焦斑测量,给出其时间和空间分辨的特性,搭建了基于成像系统、光电管结合示波器、条纹相机和科学CCD等主要部件组成的焦斑光学测试平台。实验之前,对科学CCD的灵敏度和动态范围及条纹相机增益系数、狭缝宽度、扫描时间等性能参数进行离线测试标定。采用CCD测试多路激光时间积分的集束焦斑空间分布;采用光电管结合示波器及条纹相机对多路激光到达靶点的时间同步进行测试;开展高质量集束焦斑的时间分辨特性测试,获得了光谱色散匀滑光束焦斑精细的时空演化图像。多路激光集束焦斑形态及多路光束时间同步测试为提升高功率激光装置焦斑测试技术和方法提供了支撑。

神光装置辐照腔体系统电磁脉冲的数值模拟

应用三维MC程序和PIC程序,对神光装置辐照下腔体内系统电磁脉冲(SGEMP)模型进行了耦合模拟。在半高宽为2.9 ns、平均能量为10.3 keV的轫致谱X射线点源辐照下,圆柱腔内电场最大值高达2 MV/m,以轴向电场为主;磁场最大值约为0.8×10^(-3)T,以角向磁场为主,电磁场最大值都集中在发射面附近,以脉冲直流场为主,交流辐射场幅度较小,约在kV/m量级。考察了注量对SGEMP效应的影响,注量越高,电场沿轴向变化越快,交流辐射场占比越大。

激光间接驱动柱几何内界面减速段的流体力学不稳定性实验研究

研究收缩几何下的流体力学不稳定性增长对于惯性约束聚变靶丸降低流体力学不稳定性增长和混合的优化设计具有重要的作用。在神光100 kJ激光装置上开展了辐射驱动柱几何内界面减速段的流体力学不稳定性实验,观测到模耦合现象,以及收缩几何独有的Bell-Plesset(BP)效应,理论预估BP效应导致的扰动增长与实验结果基本一致。实验中观察到驱动不对称性引入的2阶模扰动,M2不对称性约为11%,提出了通过增加黑腔长度来优化驱动不对称性的方法。柱几何流体力学不稳定性增长研究将有助于理解收缩几何效应在高能量密度条件下对流体力学不稳定性增长的影响,为优化惯性约束聚变靶丸设计提供帮助。

雷电间接效应多重脉冲组电流产生装置的设计

针对雷电间接效应多重脉冲组电流模拟需求,完成了雷电间接效应多重脉冲组模拟源的设计,采用20个Crowbar电路支路,通过分时放电的方式实现1个脉冲串内多脉冲输出需求,每个支路可以实现最小间隔30 ms的重复频率放电,从而实现3个脉冲串的输出需求。对放电支路的参数进行了详细设计,分析了电容、波尾电路电感、波尾电路电阻参数变化对输出特性的影响。分析了采用并联大电容实现放电电容重复频率快速充电的可行性,完成了装置的初步结构设计并结合装置结构简要分析了电路模拟参数设置的合理性。该装置建成后,可为电子、电气设备等开展测试提供技术支持。