中国工程物理研究院FEL-THz束线从头至尾模拟设计(英文)

中国工程物理研究院正在开展自由电子激光太赫兹源(FEL-THz)的研究。介绍了中物院FEL-THz束线的设计,通过PARMELA和TRANSPORT等程序优化了束线参数,并通过IMPACT-T和ELEGANT程序核对了模拟结果。优化结果表明,电子束在摇摆器入口处能量7～8MeV、平均电流5mA、横向归一化发射度小于10mm·mrad,满足设计要求。

回音壁模式光学微腔及其应用研究进展

近年来,高品质因子的回音壁模式(WGM)光学微腔发展迅速,成为光学和物理领域的热点研究。光学微腔是一种微型光学元件,由于其微小的尺寸和高品质因子,可以加强光与物质的相互作用并使光在其中长时间存留。WGM光学微腔是光学微腔的典型代表之一,具有体积小、灵敏度高和寿命长等优点,目前,基于WGM光学微腔的应用主要集中在各类传感、激光器和滤波器等领域。然而,当前对WGM光学微腔的研究还未实现大规模生产,仅处于实验室研究阶段,工业化生产还存在成本高、制作工艺困难等缺点。文章重点介绍了WGM光学微腔的研究进展,阐述了回音壁材料对Q值的影响,近几年WGM光学微腔在传感、激光器和滤波器领域的应用,并提出了在可能实现全光网络的未来WGM光学微腔存在的挑战及进一步研究方向。对于后续研究,文章认为首先需降低成本、缩短时间,提高制备工艺的精度和效率;其次,需要解决微腔与光学器件耦合的问题,提高耦合效率并提高抗干扰能力;最后,需要解决腔体对环境的敏感性问题,以确保微腔在制备滤波器等器件时具有良好的稳定性。

多级柱面炸药内爆磁通量压缩技术研究

柱面内爆磁通量压缩发生器是利用炸药内爆压缩其内部磁通量至轴线附近小体积内从而实现超高磁场,传统的单级装置因受到金属套筒内爆失稳等影响性能指标受限。开展了多级内爆磁压缩技术研究,突破多项关键技术,包括研制特殊结构的密绕螺线管、脉冲功率源及大电流放电开关等,具备在直径135 mm套筒空间内实现20 T以上初始磁场产生能力,并建立了动态磁光测量系统。利用磁流体力学编码SSS-MHD开展多级装置设计,计算显示,设计的多级装置能够将约42%的初始磁通量压缩至轴线附近直径7 mm的空间内。最终研制成功多级内爆磁压缩装置CJ-150,在亚立方厘米以上空间实现轴向峰值磁场强度906 T,数据不确定度5.35%。10余发动态考核实验显示,CJ-150装置工作稳定,能够满足物理实验需要。利用经实验验证的磁流体模型计算显示,CJ-150具备1000 T以上超强磁场产生能力,能够对大尺寸样品实现500 GPa以上的准等熵加载。

中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置总体设计

中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置是一台用于材料、光谱、生物、医学等领域前沿研究的多功能用户装置,在实验室现有的太赫兹自由电子激光装置(CTFEL)基础上,拟新增两套2×9-cell超导加速单元和两台波荡器,将电子能量提升至最大50 MeV,输出频率覆盖范围拓展至0.1~125 THz,最大宏脉冲功率大于100 W。同时,采用跑道型束线设计,拟建设一台小型能量回收型直线加速器实验研究平台。本文主要介绍了中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置的总体设计、工作模式以及用户实验站布局。

窄脊型波导半导体激光器偏振与横模关系研究

基于有效折射率法建立了窄脊型波导数值计算模型,通过实验研究了InGaAs量子阱窄脊型波导半导体激光器偏振特性与横模之间的关系。根据理论计算,脊型波导中类TM模式在慢轴方向的有效折射率差更大,类TM模式的限制因子比类TE模式的限制因子更大、更容易出现慢轴高阶模式;而随着脊型波导的高度增加,快轴高阶模式被截断,类TE00模式的限制因子逐渐增加至与类TM00模式相近,慢轴高阶模式因其大的散射损耗被抑制,理论上可实现高偏振度、高光束质量激光输出。在实验方面,利用量子阱材料的增益偏振特性,通过脊型高度与宽度的设计,制备了高偏振度、基横模的窄脊型波导半导体激光器。

基于神经网络特征线提取的飞机位姿识别方法研究

为实现复杂情况下的飞机位姿识别,提出了基于神经网络特征线提取的位姿识别新方法。该方法利用3D模型进行图像渲染,通过添加背景形成数据集,为提高算法鲁棒性进行了数据集增强。特征线提取模型采用卷积神经网络提取目标深度特征,利用热力图获取飞机特征线。结合飞机特征线、飞机3D模型以及n线透视方法解算目标位姿。该方法建立的飞机特征线提取模型,在复杂背景下准确率约为91%。叠加了各类噪声后,准确率为84%。飞机位姿通过EPnL算法与非线性优化进行求解。在目标背景复杂的情况下,实验得到的平均预测角度误差约为0.57°,平均预测平移误差约为0.47%。图像叠加各类噪声后,得到的平均预测角度误差约为2.11°,平均预测平移误差约为0.93%。提出的飞机位姿识别方法在复杂背景、各类噪声影响下可以较精准地预测飞机位姿,应用场景更加广泛。

2.7~3.0μm波段高反镜反射率测量研究

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2.7~3.0μm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2.7~3.0μm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2.7~3.0μm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2.9μm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。

基于强电磁辐照移除危险空间碎片的机理性实验研究

针对当前空间碎片数量急剧增长问题,探究基于强电磁辐照的主动清除手段的可行性,以多层隔热结构作为典型危险空间碎片模型,重点关注其电磁响应敏感的金属镀层部分,通过构建复杂多环境因素物理场,在S波段强电磁辐照和真空环境下进行了验证实验。实验结果表明,在10^(-3)Pa量级的真空环境下,强电磁脉冲与多层隔热结构金属镀层发生相互作用,引发放电现象并产生等离子体,同时伴随着宏观动力学特性的改变。通过观察和分析,我们探讨研究了可能的物理过程,包括强场击穿导致材料点放电、面闪络引起材料网状放电和镀层损伤、粒子吸收微波能量导致材料变形以及等离子体烧蚀引起材料损毁等。该研究为利用强电磁脉冲辐照主动移除危险空间碎片提供了重要的技术支持。

典型信息系统高功率微波扰乱效应监测方法研究

针对典型信息系统的高功率微波扰乱效应表征问题,以数字通信系统为主线,构建系统模型,分析了高功率微波环境可能对数字通信系统的影响,以及出现扰乱效应的具体表征,提出了基于数据流的扰乱效应监测方法,并开展了试验验证。研究表明,基于数据流的敏感监测机制可进一步捕获和解析典型信息系统在高功率微波作用时的具体状态与影响,可为判别影响等级、效应机理分析以及防护等提供理论支撑与依据。

重复脉冲强流电子束源长时间稳定运行实验研究

简要阐述了脉冲变压器型重复脉冲强流电子束加速器CHP01的组成、主要特点及工作原理,利用设计的重复脉冲强流电子束源进行了长时间运行实验研究,实验结果达到在100Hz重复频率下连续运行5s,脉冲变压器能稳定输出电压1.15MV,强流束二极管输出电压超过800kV、束流7kA、脉冲宽度45ns,阴极电子发射密度超过10kA/cm2,且运行稳定可靠。利用该电子束源进行了X波段类周期慢波结构微波器件实验研究,在50Hz重复频率下连续运行5s,输出微波功率超过1GW,脉冲宽度大于25ns。

重复频率强流电子束二极管实验研究

采用静电场模拟对二极管结构及导引磁场位形分布进行了优化设计,利用设计的二极管在高压脉冲发生器上进行了重复频率运行实验研究,给出了相应测试波形,并对不同材料阴极、不同真空度情况下二极管的发射特性进行了比较。在二极管真空度满足一定要求(p<0.01Pa)条件下以在重复频率方式运行时,不论是石墨阴极还是金属阴极,输出电子束流都比较稳定。设计的二极管电子束电压超过500kV,电流约5kA,脉冲宽度40ns,重复频率100Hz。

强流电子束无箔二极管结构设计与特性研究

主要叙述高功率二极管的理论模型和结构设计 ,采用基于引导磁场和相对论近似情况下的空间电荷限制流模型 ,对磁浸没无箔二极管产生的空心相对论电子束进行了动态数值模拟 ,研究了二极管几何结构及引导磁场对二极管束流特性的影响。

毫米波/太赫兹扩展互作用速调管放大器的应用及研究进展

作者对毫米波与太赫兹频段的扩展互作用速调管放大器的应用需求和发展现状进行了详细的调研,介绍了该器件在空间探测、主动拒止、生物医学等研究领域的应用,说明了该器件在毫米波及太赫兹技术研究中的科学价值和良好的应用前景;同时,作者对该器件的发展趋势、主要技术难点和遇到的挑战进行了分析.

重复频率强流电子束的产生和传输实验研究

电子束真空二极管重复频率运行时,它将表现出与单次运行时不同的特点。在电子束产生过程中,屏蔽半径应尽可能地小,且击穿延时时间较短,故选择石墨作为阴极材料。实验结果表明:在重复频率运行时,当环型阴极环厚较薄时,阴极的发射电流密度较大,因此对阴极的加热效应也加强,等离子体的膨胀速度加快,从而使得二极管阻抗减小,最后几次输出的电子束的电流较大,而电压减小;当重复频率较高时,由于加热效应使得阴极等离子体膨胀速度加快,最后几个脉冲阴极发射能力增强,波形重复性变差;当引导磁场强度增大时,阴极等离子体受到较大的磁场力约束,横向膨胀速度减慢,从而使得电子发射面积减小,总发射电流减小,二极管的阻抗增大。最后取引导磁场为1. 5T,阴极环厚为1mm,得到重复频率100Hz、束压827kV、束流8. 22kA、脉冲波形之间重复性很好的均匀电子束输出。

强流多注电子束高效率引入的模拟研究

强流相对论多注速调管相对于单注速调管具有导流系数低,输出功率高和效率高的优点,并且可以明显降低引导磁场强度,因此得到快速发展。但是其多注电子束引入漂移管效率低的问题,影响了多注速调管的整管效率,限制了其稳定高效运行和应用推广。论文采用粒子仿真软件CHIPIC对多注速调管二极管爆炸发射过程进行仿真研究,寻找影响多注速调管引入效率的主要因素,并对阴极结构进行了优化,设计出三种两段式新型多注阴极结构并进行冷阴极爆炸发射模拟研究。研究结果表明:给定参数下,常规结构由于底座边缘的不必要的环形电子束发射,只能达到82%的引入效率,而三种新型阴极结构通过抑制不必要电子发射,引入效率都可以提高至95%以上,最高达到99%。

0.22THz折叠波导行波管电子光学系统设计与实验研究

设计了一套0.22THz折叠波导行波管电子光学系统,详细介绍了电子枪和周期永磁聚焦系统的设计过程,在电子枪电子束束腰与磁系统不匹配情况下,对磁场过渡区进行了优化设计,以此为基础利用磁场仿真软件对磁场进行模拟和优化,并把磁场位形代入电磁仿真软件进行电子束传输仿真,优化后的电子光学系统发射束流10mA,阴极电压15kV,束流通过率96%。通过实验验证,流通管束流通过率93%,高频样管束流通过率94%,与设计相符。高频样管实现连续波运行,功率大于0.4 W,3dB带宽大于12GHz。

中国工程物理研究院远红外自由电子激光实验研究

中国工程物理研究院基于射频直线加速器技术的远红外自由电子激光(FIR-FEL)实验取得阶段性进展,于2005年3月24晚8时30分首次出光,并多次重复．中心波长115μm,谱宽1％．介绍了实验系统的主要组成部分和主要实验结果．

我国自由电子激光技术发展战略研究

自由电子激光(FEL)光源是一种基于电子直线加速器的大型科研装置,广泛应用于凝聚态物理、先进材料与表面物理、原子分子物理、化学、生物等基础科学研究。FEL技术的进步将促使光源向更高功率和更短波长发展,以满足日益增长的用户需求。本文从FEL的技术特点出发,论述了技术发展的必要性,研判了现阶段国内外FEL技术发展现状并凝练我国领域发展面临的问题。研究提出了我国FEL技术的发展思路,在2035年前着力在长波波段FEL、X射线FEL、新型FEL、基于FEL的极紫外(EUV)光刻光源等方面取得突破。研究建议:制定科学发展战略、保障科研攻关实施,加强基础投入、提高自主创新水平,加强多方合作、促进科技成果转化,促进研究与应用结合、推动市场应用,加强科技人才培养,以此推进我国FEL领域的稳健发展。

基于目标航迹的引导误差校正方法研究

在探测目标尺寸小且距离远时,由于光电系统的视场角很小,有效的目标前级引导是光电系统跟瞄目标的前提。目标引导的本质是将大地坐标系下的目标点转换至光电系统局部坐标系下,转换过程中引入一系列旋转和平移参数,其准确程度决定了最终的目标引导精度。提出基于无人机航迹的光电系统引导误差校正方法,通过围绕光电系统周围无人机航迹数据,求解引导数据计算过程中坐标变换的最优参数,进而提高目标引导精度。在本项目搭建的实验装置上实现了方位引导标准方差小于0.052°,俯仰引导标准方差小于0.04°,最大误差不超过0.7°。目标前级引导的引导精度越高,光电系统捕获目标速度越快,对于提高目标处置相应速度具有重要意义。

太赫兹返波振荡器的应用及研究进展

太赫兹返波振荡器是一种功率高、宽带可调谐、可在常温下连续波工作的辐射源.本文介绍了太赫兹返波振荡器在太赫兹技术研究中的应用需求及其发展现状,说明返波振荡器在太赫兹技术研究中的重要作用和前景,并对太赫兹返波振荡器的最新动态、技术难点进行了分析,可供该种管型研究的参考.