《强激光与粒子束》重要声明

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《强激光与粒子束》刊物简介

《强激光与粒子束》(月刊)是由中国工程物理研究院、中国核学会和四川核学会联合主办的科技期刊,主要依托国家高新技术领域重点科研计划和工程,报道我国高能激光与粒子束技术领域理论、实验与应用研究的最新成果和进展。内容涉及强激光、高功率微波及粒子束的产生、传输及其与物质的相互作用。主要栏目:强激光物理与技术、惯性约束聚变物理与技术、高功率微波技术、脉冲功率技术、粒子束及加速器技术、核科学与工程、前沿技术与交叉科学等。

适用于高强度辐射场构建的多模反射面天线

高强度辐射场构建系统是对多种武器进行电磁辐照效应试验的关键装备,其要求在距天线一定距离的区域内产生高强度且尽量均匀分布的电磁场。本文设计了一款适用于该系统的X波段偏置卡塞格伦多模反射面天线。用反射面天线是为了获得尽可能高的增益,使期望区域内的场强尽可能大;用多模反射面理论实现了窄波束的平顶赋形,使期望区域内的场趋于均匀分布,区域外的场迅速减小。实测结果表明天线增益大于29.8 dB,3 dB波束宽度不小于4.6°,在此范围内方向图幅度起伏小于2 dB,平顶特性明显。此外,偏置的反射面天线还有馈源遮挡小、馈线损耗低和易于折叠收藏等优点,可以很好的应用于电磁环境模拟试验设备中。

20 kV高压脉冲幅度校准装置设计

针对高压脉冲幅度的量值传递需求,开展了脉冲幅度1~20 kV、脉宽1~100μs的高压脉冲幅度校准装置设计。校准装置以高压MOSFET器件为核心,搭建多级Marx结构实现高压脉冲成型,同时通过截尾回路的设计缩短脉冲下降时间,实现矩形脉冲波形的输出。在Marx结构基础上开展装置整体设计,通过触发脉冲信号及高压直流电源电压调节脉宽与幅度,通过隔离电源及光信号保证了高压隔离强度。装置采用高准确度高压探头和数据采集卡构成校准装置的内部测试系统,其测量值作为校准装置的标准量值,经评定装置脉冲幅度不确定度为2%,并通过两台比对法进行了验证。采用其他多型高压探头对校准装置进行实验测试,结果表明与低压脉冲校准源测试相比,高压脉冲可明显有效地表征高压探头的性能及测量准确度,同时本装置也可作为高压脉冲发生器应用于脉冲功率领域其他用途。

单次通过型束流位置探测器的束流位置测量方法

针对当前单次通过型数字束流位置探测器(BPM)有效采样点数少、数据信噪比低、测量分辨率差的问题,提出了一种基于“束流单次通过”的数字BPM测量改进算法。该算法通过模拟信号的功分-延迟-合成,增加了有效采样数据,并通过采样数据的截取与数据拼接、数字滤波等数据处理方式,提高了采样数据的信噪比,并最终实现了BPM测量分辨率的提高。实验结果表明,该算法在不改变模数转换器(ADC)采样率的情况下,将单次通过型BPM的测量分辨率提高了约2倍。该测量方法为提高单次通过型BPM的测量分辨率提供了一种新的解决方案,已成功应用于北京正负电子对撞机(BEPCII)和高能同步辐射光源(HEPS)直线加速器项目中。

紫外氟磷玻璃的高能激光损伤研究进展

激光驱动惯性约束聚变(ICF),因有望解决全球能源危机问题而备受瞩目。然而,熔石英作为ICF装置终端光学组件中一类重要的功能性紫外元件,其高能激光诱导损伤问题成为限制ICF装置输出能量向更高更强方向发展的关键因素。因此,ICF装置负载能力继续提升对新型高抗强激光损伤紫外元件提出重大应用需求。综述了中国科学院西安光学精密机械研究所研制的紫外氟磷玻璃在高能紫外激光损伤方面的研究现状,并分析了现存的实际问题,最后对高抗损伤紫外氟磷玻璃的发展方向进行了展望。

1 MV气体绝缘Tesla变压器支撑绝缘子的闪络特性实验与优化设计

输出高电压等级的同时,为实现Tesla变压器的小型化、轻量化设计,研究了0.5 MPa SF_(6)气体环境中支撑绝缘子沿面闪络特性与表面电场的关系,利用有限元法建立了Tesla变压器的电场仿真模型,结合实验研究分析了支撑绝缘子沿面闪络过程,阐明了Tesla变压器关键绝缘部件的场等效实验方法和结论,根据上述分析优化支撑绝缘子结构。优化后的支撑绝缘子凹侧沿面电场最大值下降约81.5%,切向电场强度平均值降低约10.3%,法向电场强度平均值降低约30%,沿面距离增长11.8%,电场不均系数从5.03下降为1.20,电场分布改善明显,预计可以耐受1 MV负极性微秒脉冲电压。

较高场畸变系数的大电流三电极气体开关

气体开关作为脉冲功率装置的关键部件,其自击穿概率以及触发放电延时抖动对整个脉冲功率系统具有至关重要的影响。降低开关工作系数有利于提高开关稳定性,但延时抖动会随之增大。针对用于磁驱动实验的10 MA级大电流装置应用需求,设计了一种具有较高场畸变系数、能在较低工作系数条件下稳定工作的三电极气体开关,并开展了该开关的性能研究。模拟与实验结果表明:在触发电压与充电电压相当的条件下,开关的场畸变系数接近4,开关工作系数高于60%时,开关具有较低的延时抖动,抖动均方根小于3 ns。结合该开关设计了一个两级Marx储能模块,充电电压±50 kV条件下短路放电,模块回路放电电流峰值达到150 kA、周期2μs。上千次放电实验后,开关电极表面未发生明显烧蚀,工作正常。工作系数68.5%时,共计4000发实验中未出现自放电现象,自击穿概率低于2.5×10^(−4)。上述结果表明该开关可满足300~400只开关同时工作的大电流装置需求。

一种极线近似的双目结构光相位立体匹配方法

针对双目结构光三维重建中的相位立体匹配效率较低问题,提出了一种极线近似的快速匹配方法。首先依据两相机光心与左像素形成平面与右成像平面交线对极线进行描述;对每行像素中部分区域的对应极线进行近似,结合立体视觉的连续性约束,使得孤立的沿各自极线搜索匹配相位改为区域内沿近似极线连续搜索匹配相位;同时结合双目相机位姿特性,实现全局均匀分区,避免针对每行数据重复分区;计算过程中采用查表法辅助计算。实验结果表明,立体匹配后获得点云平均误差为0.436 mm,属可接受误差范围内,立体匹配计算速度平均提升10.18倍,对640×480尺寸图像可在17 ms内完成立体匹配,可应用于结构光实时三维重建。

kA级脉冲电流注入环的电路建模与分析

为满足kA级脉冲电流注入应用需求,设计了一种基于非晶磁芯的电流注入环,其初级线圈采用线缆直接引出的方式,有效解决了传统注入环N型电缆接头耐压不足的问题。之后根据注入环结构建立了其电路模型,并应用粒子群优化算法确定了模型参数值。频域和时域的验证实验表明,仿真结果和实验结果具有较好的一致性,验证了该电路模型的可靠性和正确性。对注入环的实际应用场景进行了仿真分析,结果表明该电流注入环可满足实际应用中kA级脉冲电流注入的需求。

《强激光与粒子束》

刊物简介《强激光与粒子束》(月刊)是由中国工程物理研究院、中国核学会和四川核学会联合主办的科技期刊,主要依托国家高新技术领域重点科研计划和工程,报道我国高能激光与粒子束技术领域理论、实验与应用研究的最新成果和进展。内容涉及强激光、高功率微波及粒子束的产生、传输及其与物质的相互作用。主要栏目:强激光物理与技术、惯性约束聚变物理与技术、高功率微波技术、脉冲功率技术、粒子束及加速器技术、核科学与工程、前沿技术与交叉科学等。

正负双极性直流高压充电电源设计

高压脉冲电容器是脉冲功率系统中应用较广的储能器件。根据大容量能库型脉冲装置对充电电源的技术要求,研制了一种输出电压±0.5~±10 kV可调、最大平均功率约3 kW、双极性一体化直流高压充电电源。设计上采用控制电路与正负双极性直流高压输出主电路一体化方式,通过隔离、屏蔽和保护措施,解决了目前双极性直流高压充电电源存在的正负极性电压不平衡、采样控制信号与高压地未隔离问题,减小了电源体积,提高了电源的鲁棒性、可靠性和电磁干扰能力。100多台充电电源在18.3 MJ脉冲装置中同时运行,在复杂电磁干扰环境下可靠稳定工作。

中物院太赫兹自由电子激光装置现状及升级计划

中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光装置(CAEP THz FEL,CTFEL)是国内唯一运行的基于超导加速器的高平均功率自由电子激光太赫兹源,具有频率连续在线可调(0.1~4.2 THz)、高峰值功率(>0.5 MW)、高平均功率(>10 W)、高重频(54.17 MHz)、短脉冲(~ps)、窄线宽(~2%)、全相干和线性偏振等特点。自2017年出光以来,已稳定运行了四年多,并开展了诸多应用实验研究。为进一步满足用户需求,CTFEL计划升级为一台红外太赫兹自由电子激光装置,电子束能量提升至最大50 MeV,频谱范围拓展至0.1~125 THz,同时,建设材料光谱和生物医学两个实验站。

适用于激光聚变实验的短焦距高放大倍率Wolter显微镜设计

围绕内爆压缩及阻滞阶段相关物理实验的诊断需求,提出了一种满足阿贝正弦条件的短焦距高放大倍率Wolter-Ⅲ型X射线显微镜的光学设计。详细介绍了Wolter-Ⅲ型显微镜的结构特点和设计方法,与Wolter-Ⅰ型相比可以通过将主平面向靠近物点方向移动的方式减小系统焦距,从而获得更大的放大倍数,实现显微镜与探测器的像质匹配,提高诊断系统的空间分辨。由光线追迹可以得出,在±190μm的视场范围内,空间分辨率优于3μm;在±240μm范围内分辨率优于5μm;在±300μm范围内分辨率优于8μm,几何集光立体角约为5×10^(−6) sr。

600 A重复频率脉冲恒流源研制

针对国内脉冲恒流源幅值较小、重复频率较低等问题,设计了基于电流闭环反馈控制的恒流电路,建立了相应的数学模型,并采用Pspice仿真验证了电路的功能,最终研制了1台600 A重复频率工作的脉冲恒流电源。电源采取储能放电配合高速开关的工作模式,使用功率场效应三极管作为线性调整开关,可大范围自动恒流,适用于激光二极管负载。输出的脉冲电流幅值最高600 A,上升时间小于40μs,电压幅值最高320 V,脉宽100~600μs可调,工作重复频率最高200 Hz。电源体积较小,结构紧凑,效率可达90%以上。

数字束流位置探测器系统的信噪比需求分析

以高能同步辐射光源(HEPS)对BPM提出的位置测量分辨率要求为出发点,介绍了BPM系统的整体架构并推导出BPM系统的信号链路中各级信号所需达到的信噪比;并根据ADC采样数据的信噪比需求,计算出ADC采样时钟的抖动需求;最后介绍了能够测量BPM信号信噪比和采样时钟抖动的BPM测试平台。各项结论可以作为判断BPM系统各部分能否达到HEPS工程要求的标准。

静力水准系统用于基准高差测量的研究

为了拓展静力水准系统(HLS)在粒子加速器准直测量工作中的应用,开展了针对HLS系统用于多点间基于水平面的基准高差测量的实现方法的研究。基于传感器工作原理,设计并搭建了一套由双频激光干涉仪、高精度位移平台、HLS传感器等组成的比对系统,利用该系统控制多传感器在同一坐标系下观测同一液位。通过比对获得多传感器间基于底部坐标系的零位高度差,实现了多个传感器坐标系间相对于水平面的高差值测量,并验证了高差测量精度优于5μm。除此之外,通过在HLS传感器上方安装靶座,使用三坐标测量机(CMM)严格标定各传感器电极板至靶球球心的距离,实现了多靶球球心位置基于水平面的高差值测量,并验证了其测量精度优于30μm。

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自主研制的976 nm波段光纤激光器实现500 W量级功率输出

976 nm波段掺镱光纤激光器因其在高功率光纤激光器和新型波段固态激光器等领域具有重要的应用前景,因而受到广泛关注。不过,由于其三能级跃迁特性,该激光器的功率拓展受到泵浦阈值高、放大自发辐射强等物理因素的制约,要实现高功率输出难度较大。国际上,该激光器已报道的最高功率为151 W。国防科技大学针对影响该激光器功率提升的核心限制因素开展了研究,2021年利用自主研制的976 nm波段光纤激光器,国际上首次实现了500 W量级功率输出。

G波段扩展互作用速调管宽带注波互作用系统研究

扩展互作用速调管采用多间隙分布作用谐振腔和全金属平面结构,互作用电路短、单位长度增益高,其平面化结构特征与现代微加工工艺相兼容,已成为发展太赫兹高功率源的研究热点,进一步展宽扩展互作用速调管放大器的带宽成为拓展其应用的关键技术问题。设计了一种G波段5腔多间隙注波互作用电路,采用参差调谐技术扩展群聚段带宽和滤波器加载技术扩展输出段带宽,通过CST软件对结构参数优化和输出特性模拟仿真,结果表明:在电子注电压19 kV,电流300 mA,输入功率120 mW时,获得输出功率222 W,电子效率3.89%,增益32.67 dB,3 dB瞬时带宽达到了1.5 GHz。