能量选择电磁防护方法理论与应用

随着信息技术的发展,电磁空间逐渐成为国家重大公共基础设施及信息网络的基石。近年来,强电磁源生成技术加速发展,对电磁空间安全形成严重威胁,开展强电磁防护技术研究具有迫切的现实需求。能量选择防护方法是一种新型自适应强电磁防护方法,突破了电子设备前门防护“能防”和“兼容”的难题,为强电磁防护提供了新的技术思路。本文对能量选择防护方法进行了系统综述,首先详细介绍了能量选择防护的内涵和相关概念;其次以能量选择表面为例阐述了其工作原理与实现方式,在此基础上对能量选择防护方法的研究现状和最新成果进行介绍,梳理了能量选择防护方法的发展脉络;最后,对能量选择防护方法的未来研究方向进行了展望。

能量选择中子成像技术及其应用

能量选择中子成像技术是利用特定范围波长(能量)的中子进行成像。在热/冷中子范围内(<25 meV),能量选择中子成像技术主要基于布拉格边效应和衍射机制,相比常规中子成像技术不但可以显著提高图像对比度,而且能分析应变、应力、织构。在超热中子范围内(>1 eV),能量选择中子成像技术主要基于中子共振吸收,中子截面随能量变化是同位素特有的,存在明显的共振吸收峰,因此可以进行同位素的“指纹”识别。概述了能量选择中子成像技术的基本原理及特点、单色化技术及其应用现状,重点探讨了能量选择中子成像技术的应用前景和科学价值。未来,能量选择中子成像技术将在工程、材料、化学、物理、生物、考古等众多科研领域发挥重要作用。

一种S波段超宽带能量选择表面设计

设计了一种工作在S波段的能量选择表面,可实现超宽带自适应强电磁防护。该结构由两层金属周期结构组成,顶层为两个对称分布的金属条和一个金属片,金属条与金属片间加载两个PIN二极管;底层为十字架结构。当入射电磁波场强低于阈值时,能量选择表面工作在透波状态,电磁波可以传播;当入射电磁波场强超过阈值时,金属条和金属片之间产生的感应电压使得PIN二极管导通,此时能量选择表面进入防护状态,电磁波被屏蔽。通过对能量选择表面在PIN二极管导通和截止状态下的表面电流和电场分布以及等效电路模型进行分析,解释了该结构的工作原理。采用PCB制作工艺加工了实物样板并对弱场入射下的插入损耗以及强场入射下的防护效能进行测试。实验和仿真结果匹配性良好,表明该能量选择表面在透波状态下的工作中心频率为2.7 GHz,插入损耗小于1 dB的工作频带为2.2~3.5 GHz;在防护状态下,工作频带的防护效能大于10 dB,达到了超宽带的要求。

二极管选型对能量选择表面天线罩的性能影响

能量选择表面技术主要通过周期结构加载非线性器件可自适应实现对高功率入射波的非线性响应,即“低通高阻”。以二极管选型对能量选择表面天线罩性能的影响为研究目的,首先,通过注入实验评估不同型号二极管在高功率信号输入时的功率毁伤阈值,并进行相应的毁伤测试分析,实验结果表明:当输入功率达到47dBm时,BAP65二极管内部电流过载引发热失控,导致毁伤;其次,选择4种不同型号的二极管评估它们对能量选择表面天线罩的插入损耗和屏蔽效能的影响,实验结果表明:在0.75~0.9GHz,加载MMP4401二极管的能量选择表面具有低于0.5dB的插入损耗和大于15dB的屏蔽效能。此外,双管并联的能量选择表面表现出较好的屏蔽效果,而单管则具有更低的插入损耗。

一种高性能双频能量选择表面

提出一种高性能双频带能量选择表面(ESS),该表面可以保护电子设备免受高功率微波(HPM)的影响。所提出的结构由负载有二极管的金属周期性结构组成。推导了所设计的ESS的等效电路,并解释了其工作原理。通过仿真说明了两个频带在不同入射条件下的电磁响应,使用场路联合仿真来获得其非线性性能。CST仿真结果表明,该结构在工作频带(0.93 GHz-1.52 GHz,2.8 GHz-3.2 GHz)的低功率信号的插入损耗小于1 dB,而对高功率信号的屏蔽大于38 dB。

超宽带强电磁防护能量选择表面设计

为应对强电磁脉冲对电子信息系统的威胁,设计了一种具备收发兼容特性的超宽带强电磁防护能量选择表面,有效拓展了能量选择表面的工作带宽和工作频率,可为L、S、C波段的超宽带用频装备提供不低于14 dB的防护效果。该能量选择表面是一种周期结构,每个单元包含一对箭头形结构和一个开关二极管,可根据外界辐照电磁波的能量密度自适应切换反射或透波状态,从而实现强电磁防护与工作信号收发兼容。仿真研究表明,这一新型能量选择表面在L、S、C波段的插入损耗小于1 dB,强电磁防护能力达到22 dB。在波导中对设计的样件进行了性能验证,结果显示,该样件在波导中的平均插入损耗为1 dB,防护能力达到了14 dB,初步验证了设计结构的低插入损耗和高防护特性。

一种能量选择防护结构与天线耦合效应矢量分析方法

为了深入分析能量选择防护结构(ESS)等周期结构作为天线罩时与天线产生的耦合效应,提高分析效率,该文提出一种基于坡印廷矢量法的耦合效应分析方法。该文从收发互易的角度,将天线当作发射器而非常规方法中的接收器对天线的电磁特性进行分析。从接收的角度理解,天线是一种从自由空间中捕获能量的装置,而能量分布可以通过坡印廷能流密度曲线来描述。同样地,能量选择防护结构对电磁波的扰动也可以通过能流密度曲线来描述。因此,天线、防护结构以及二者的耦合效应均可通过能流密度曲线进行研究和分析。结果表明,该文所提方法与常规分析方法具有良好的一致性。相比于常规分析方法,该文方法可同时对天线与防护结构的耦合效应进行可视化分析与量化评估,指导防护结构的尺寸、形状设计以及最佳安装位置,显著提高设计效率。

能量选择表面的瞬态响应

为实现强电磁脉冲防护和信号收发的兼容,研究了一种基于能量选择机制的强电磁防护结构,即能量选择表面。该防护表面利用半导体压控导电特性,实现了强场辐照时防护表面由高阻态向低阻态的转变,具有能量低通特性和超宽带特性。利用场路协同仿真方法,分析了能量选择表面瞬态响应与PIN二极管阻抗特性、强电磁脉冲峰值场强及脉冲前沿的关系,结果显示:尖峰泄漏功率和响应时间与Ⅰ层厚度、强电磁脉冲峰值场强成正比,与少数载流子寿命成反比变化。

电磁能量选择表面结构设计与仿真分析

近几年来高功率微波(HPM)武器技术发展迅猛,其产生的强电磁脉冲环境能够对武器装备构成严重威胁,因此,研究武器装备的强电磁防护具有重要的意义。针对强电磁防护与信号收发兼容的"前门"防护难题进行研究,对能量选择强电磁防护机制进行分析。设计并仿真典型压控导电的单层能量选择表面和双层非对称的能量选择表面结构及其工作性能,对影响插入损耗和防护效能的参数进行研究。仿真结果表明:设计出的能量选择表面(ESS)结构在L波段具有很好的防护性能,透波模式传输损耗小于0.5dB,防护模式屏蔽效能大于20dB,具有能量低通特性,基本满足电子设备的"前门"防护需求,同时,双层非对称结构可以带来防护性能的改善。

基于能量选择表面的电磁防护新方法

利用场致导电材料或压控导电结构的特性,设计能量选择表面,阐述了其能量低通的防护机理,给出了一种典型的设计方法,然后选用PIN二极管在印制电路板上制作了3块能量选择表面进行测试,实现了不同时刻的屏蔽和透波功能,验证了能量选择表面作为新型电磁防护方法的可行性和灵活性。

能量选择法中子照相技术

能量选择中子照相是近年来新兴的中子照相技术,具有广泛的潜在应用前景。介绍了能量选择中子照相技术的基本原理,比较分析了机械速度选择器法、双晶单色器法、飞行时间法以及超镜和晶体过滤器结合法4种获取单色中子束的方法。介绍了能量选择中子照相技术在增强图像对比度、应力测量、织构分析以及相变过程研究等方面体现的优异特性和应用潜力。

基于压控导电结构的能量选择表面防护机理和仿真实验研究

为解决强电磁脉冲防护中屏蔽与正常信号收发之间的矛盾,研究了一种既能隔离强电磁脉冲,又能保证被保护设备信号正常收发的能量选择表面(ESS)。基于可变表面阻抗理论研究ESS的防护机理;根据强电磁效应改变二极管的阻抗特性和实现能量选择的特点,设计了一种正反并联的二极管对阵列组成的可防护线极化强电磁脉冲的ESS,并进行仿真和实验分析。结果表明:所设计的ESS对弱电磁信号的插入损耗小于2 dB,对强电磁信号的隔离度大于20 dB,实现了能量低通的选择特性。

铀矿γ能谱测井多核素定量特征能量选择最优化计算——基于特定尺寸LaBr_3(Ce)单晶的钻孔γ谱探测

采用新型LaBr3(Ce)探测器的铀矿γ能谱测井可实现天然产状下对铀等多核素的直接定量。为了选择探测效果最优的特征能量,选定的Φ1.5×2英寸LaBr3(Ce)单晶对备选特征能量光子的探测能否获得较高的相对计数率是一个重要指标。此外,还要考虑是否存在重峰情况及受康普顿散射谱的影响程度。基于此,建立计算相对计数率的数学模型以及与实际钻孔探测条件一致的峰探测效率数值模拟计算模型,计算备选各特征能量的峰探测效率,进而求出可表征各分支相对计数率的指标,通过比较并结合实测仪器谱,分别选出了在该探测条件下对铀组、镭组和钍系核素定量分析最合适的特征能量。

不可逆双谐振通道能量选择性电子制冷机热力学性能优化

建立了考虑线性热漏的不可逆双谐振通道能量选择性电子(energy selective election,ESE)制冷机模型,导出了制冷机制冷率和制冷系数的表达式,应用有限时间热力学理论研究了系统制冷率与制冷系数最优性能,通过数值计算,详细分析了热漏、能量宽度、能量间距等设计参数对ESE制冷机最优性能的影响。研究发现,系统的制冷率和制冷系数都会随热漏的增加而减小;给定能量间距时,制冷率和制冷系数都会随能量宽度的增加而先增大后减小,存在最优的能量宽度使制冷率或制冷系数达到最大值;给定能量宽度时,制冷率和制冷系数会随能量间距的增加而先增加后减小,存在最优的能量间距使制冷率或制冷系数达到最大值。合理地选取能量宽度、能量间距等参数,可以使不可逆的双谐振ESE制冷机设计于最大制冷率或最大制冷系数的状态。

经瞳孔温热疗法治疗年龄相关性黄斑变性隐匿型脉络膜新生血管的能量选择

目的 探讨经瞳孔温热疗法（TTT）治疗年龄相关性黄斑变性隐匿型脉络膜新生血管（CNV）的有效能量。方法 运用810mm激光治疗仪，光斑直径1～3mm，时间每点60s，能量随病人的屈光间质、光斑大小及出血量的多少进行调整。以照射区域轻度发灰为限。治疗范围：根据CNV的大小，采用1～4个光斑覆盖。结果 37眼治疗后随诊视力3眼提高（8．1％），28眼无变化（75．7％），6眼下降（16．2％）。荧光素眼底血管造影（FFA）复查CNV完全消退者15眼，占40，6％；CNV部分消退者16眼，占43．2％；无变化者6眼，占16．2％。结论 TTT是治疗黄斑区隐匿型CNV的有效方法，需进一步探索更为有效的治疗能量。

一种基于能量选择的改进TQWT海杂波抑制算法

针对雷达对海探测中海杂波抑制问题,研究了基于能量选择的改进可调Q小波变换（TQWT）海杂波抑制算法。根据目标和海杂波振荡属性差异,通过TQWT将回波信号分解到不同子带的小波系数中,并利用基追踪去噪（BPD）对小波系数稀疏优化后进行目标重构。为更好的重构目标信号,文中基于子带能量最优分布准则,提出了能量选择法,提取目标能量占优层级的小波系数进行重构,实现目标与海杂波的有效分离。论文分析了雷达观测时间对算法性能的影响,为该方法的工程应用提供指导。通过在CSIR公开数据集上进行实验,结果验证了该算法的性能,改善了输出信杂比。

电磁能量选择表面的场路协同仿真与实验研究

为研究能量选择表面的防护性能,采用PIN二极管Spice模型,通过时域的场路协同仿真得到了能量选择表面(ESS)的瞬态响应波形。对影响插入损耗和防护效能的参数进行研究,优化结构参数,减小了尖峰泄漏。研究表明,双层ESS较单层ESS能够有效防护反向脉冲,同时增加单元金属条的长度能够减小脉冲尖峰泄露。通过强电磁脉冲辐照实验,验证了ESS小信号传输与强电磁脉冲防护的自适应防护能力,为强电磁脉冲的防护提供了可靠的方法。

一种基于二氧化钒的新型能量选择表面

在温度或强电磁场的作用下,二氧化钒(VO_2,vanadium dioxide)材料会产生相变,电导率发生显著变化。本文采用二氧化钒薄膜替换典型能量选择表面(ESS,Energy Selective Surfaces)中的半导体器件,得到了基于二氧化钒的新型能量选择表面结构。当正常信号入射时,二氧化钒薄膜的电导率较低,信号几乎无损耗的透过ESS;强电磁波入射时,二氧化钒薄膜的电导率增大,从而起到屏蔽作用。通过CST仿真,进一步探讨了周期单元宽度、金属单元长度和宽度等三个因素对于新型ESS的插入损耗和屏蔽效能的影响。

HUST-PTF质子治疗装置能量选择段真空设计与仿真

能量选择段是华中科技大学质子治疗装置束流线的重要组成部分,其位于回旋加速器下游,包含四极铁组、kicker磁铁、降能器以及DBA(Double Bending Achromatic)消色散段等几个部分。该段真空室种类和插入件较多,且在降能器下游辐射剂量较大,增加了真空系统设计与选型的难度。根据系统设计要求,该段动态真空度需好于5×10-4 Pa。本文利用MOLFLOW软件对能量选择段真空系统进行模拟,分析不同工况下的压强分布,并对各类真空室进行力学强度校核。仿真结果显示:能量选择段真空度均好于4.14×10-5 Pa,比系统设计要求高一个量级,且各类真空室的机械形变小于0.3 mm,不会引起额外的束损。因而,该段真空室的动态真空度和机械强度均可满足系统设计要求。

一种新型电磁能量选择表面结构设计与仿真分析

电磁干扰是通信系统在可靠性及设备安全性中必须考虑的因素,近些年迅速发展的高功率电磁脉冲对雷达天线等通信设备造成严重的威胁.提出一种新型电磁能量选择表面(ESS),该表面在十字形ESS的基础上增加了4个金属枝节,通过单元间加载PIN二极管获得自适应特性.在枝节处加载二极管可以在金属网格结构中引入栅格结构,有效增加屏蔽带宽,而且在透波模式下,枝节形成的二维狭缝阵列结构会在高频产生透射共振,使得表面在高频有一个频带使工作信号通过.仿真结果表明,提出的ESS在高功率电磁脉冲作用下会处于防护模式,其-20 dB带宽可达3.4 GHz;正常工作信号作用下ESS处于透波模式,此时表面为频率选择表面(FSS),其在低频和高频各有一个工作频带,低频部分带宽为0 GHz~1.3 GHz,高频谐振频率为5.36 GHz,带宽可达150 MHz.