强激光与粒子束
2020, 32(7): 075002
1 东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318
2 东北石油大学 非常规研究院，黑龙江 大庆 163318
激光破岩技术是应用光学领域的重要研究方向，它是集合了多相态、多耦合、多尺度的复杂高温、高压物理与化学过程。为了厘清激光破岩研究中的核心难点，给研究者提供有效的理论参考和趋向信息，本文对激光破岩技术的研究概况进行了分析总结。首先明确了激光破岩机理；之后分别从石油井下作业用激光器、激光破岩影响因素、激光破岩的温度场相变传热、物理力学性质以及激光破岩应用可行性等方面对国内外激光破岩技术研究进行了总结分析，指出了现阶段所取得的创新成果和不足；最后阐明了激光破岩技术的优点和发展趋势。研究结果表明，激光破岩技术可在现场配套设施研发、多影响因素评价、多场耦合作用机制和井下适用性理论体系研究等方向着力突破。
应用光学 激光破岩 影响因素 温度场 物理力学性质 应用可行性 applied optics rock removal by laser influencing factors temperature field physical and mechanical properties application feasibility
在Ku波段低磁场相对论返波管中, 由于阴极发射的角向不均匀性, 产生的微波除了TM01模, 还有主模TE11等其他微波模式。由于目前设计的圆波导耦合器只能测量TM01模式功率, 其他微波模式存在会导致在线微波波形异常, 给在线测量带来困难。本文设计了一种模式抑制器, 其结构由5个腔组成。通过数值模拟和实测结果得出: TM01模在频率14.8~15 GHz衰减小于0.1 dB, 而对其他模式, 如主模TE11模式微波能够全反射。模式抑制器置于相对论返波振荡器(RBWO)与圆波导耦合器之间, 实验观察在线输出微波与辐射场波形一致, 微波功率符合较好。
高功率微波 模式抑制器 在线测量 圆波导耦合器 High-Power Microwave(HPM) mode suppressor microwave measurement coupler 太赫兹科学与电子信息学报
2020, 18(1): 112
东北石油大学石油工程学院, 黑龙江 大庆 163318
激光破岩技术是利用高能量激光实现地层复杂岩性岩石高效可控破坏的一种新型的钻井技术,在石油、天然气开采以及矿业挖掘方面极具发展潜力。然而,目前关于激光破岩技术的研究还处于室内实验和理论探索阶段,在工业应用之前还存在诸多难点。着眼于激光与岩石相互作用过程涉及的对象,总结了近年来关于影响激光破岩效果的研究成果,分析梳理了激光参数、岩石性质、激光传递介质、工作环境这四方面因素的影响机制,对现存问题和今后的研究方向提出了建议。众多的研究表明,不同类型的影响因素对激光破岩的作用机制不同,且影响因素众多。量化激光破岩多因素影响机制,筛选关键影响因素,协调多因素共同作用,是实现激光高效破岩技术应用的重要课题。
激光技术 激光破岩 影响因素 激光参数 岩石性质 传递介质 工作环境 激光与光电子学进展
2020, 57(3): 030003
1 西北核技术研究所 高功率微波技术重点实验室，陕西 西安 710024
2 上海交通大学 物理与天文学院，上海 200240
探索提高真空击穿阈值的方法，对脉冲功率技术的发展和应用具有重要意义。在金属表面电子发射理论分析的基础上，采用有限元法计算电极表面电场随二极管电压的变化规律，设计实验系统，并开展实验研究。实验对比钛合金TC4阴极在不同表面粗糙度下真空击穿阈值，实验表明，当阴极表面粗糙度(轮廓最大高度Rz)分别为26.13?m,10.41?m,6.75?m,1.12?m,0.13?m时，击穿阈值分别为306?kV/cm,345?kV/cm,358?kV/cm,392?kV/cm,428?kV/cm。当Rz由26.13?m减小至0.13?m时，击穿阈值提高39%。金属表面击穿阈值随Rz减小而提高，减小金属表面的Rz，是提高真空击穿阈值的有效方法。
场致爆炸电子发射 表面粗糙度 真空击穿阈值 field-induced explosive electron emission surface roughness vacuum breakdown threshold 太赫兹科学与电子信息学报
2019, 17(1): 174
西北核技术研究所, 高功率微波技术重点实验室, 西安 710024
设计了一种工作在Ku波段的低磁场同轴相对论返波管。器件工作在同轴TM01近π模式, 采用两段式慢波结构构型, 在前后段慢波结构中分别主要进行电子束调制与能量提取, 以实现高效率工作。通过设计非对称反射腔, 引入电子束预调制, 进一步加深电子束调制深度, 提高了束波互作用效率。通过调节慢波结构中间漂移段长度, 进一步优化器件内部场分布, 提取段慢波结构处轴向电场强度得到显著增强, 器件工作效率可提升至35%。最终, 当磁场强度0.6 、二极管电压490 V、二极管电流7.5 A时, 获得1.27 GW微波输出, 效率约35%, 微波频率为14.7 GHz。
高功率微波 低磁场 同轴相对论返波管 高效率 Ku 波段 电子束预调制 high power microwave low magnetic field coaxial relativistic backward wave oscillator high efficiency Ku band electron beam pre-modulation 强激光与粒子束
2016, 28(9): 093002
1 西北核技术研究所 高功率微波技术重点实验室, 西安 710024
2 中国科学院 电工研究所, 北京 100190
报道了用于高功率相对论返波管振荡器的永磁体的设计和试制。以Halbach阵列结构为基础,通过选择高性能的永磁材料,调整磁钢的充磁方向、排列方式和尺寸,优化设计了可用于某相对论返波管振荡器的永磁体结构,其均匀区磁场强度0.98 T。采用粒子模拟方法,进行了永磁体与返波管振荡器的一体化设计,设计结果表明：器件输出功率超过1 GW,设计的永磁体能够满足器件对磁场强度和位形的要求。对永磁体进行了试制和测试,测试结果为：均匀区磁场0.88 T,均匀区长110 mm,磁体重量约306 kg。
高功率微波 相对论返波管 Halbach阵列 永磁体 high power microwave relativistic backward wave oscillator Halbach array permanent magnet 强激光与粒子束
2016, 28(3): 033017
西北核技术研究所, 高功率微波技术重点实验室, 西安 710024
介绍了大功率容量定向耦合器的设计、标定、测试与应用情况。以X波段圆波导定向耦合器为例，在9.2~10.2 GHz的频带范围内，基于小孔耦合理论优化设计的结构，其耦合度可以稳定在(55±2) dB以内，隔离度大于80 dB。在此基础上，设计加工了X波段圆波导定向耦合器并进行了标定测试，测试与仿真结果吻合较好，高功率微波实验证实了其具有较高功率容量，能够满足实验需求。该类圆波导定向耦合器已广泛应用于实验室高功率微波源的在线测量装置中。
高功率微波 圆波导 定向耦合器 在线测量 功率容量 high power microwave circular waveguide directional coupler online measurement power handle capacity 强激光与粒子束
2014, 26(6): 063040
1 西北核技术研究所， 西安 710024
2 西安交通大学 电子与信息工程学院， 西安710049
3 高功率微波技术重点实验室， 西安 710024
采用粒子模拟方法对一种基于过模结构的表面波振荡器相对论太赫兹源进行了研究，模拟得到了频率为0.148 THz的电磁波输出，主要输出模式为TM01模式。该结构的特点是没有反射结构，电磁波会进入二极管区域。研究了电子束电压和二极管区域内电磁场对输出功率和频率的影响以及器件几何结构参数对输出功率的影响。计算结果表明，泄露到二极管区域的电磁波对器件工作状态影响很小，但是二极管参数对器件的输出功率影响很大。
太赫兹 过模结构 慢波结构 表面波振荡器 terahertz overmoded structure slow wave structure surface wave oscillator
对相对论返波管实验中射频击穿现象进行了分析和数值模拟研究，发现谐振反射器和慢波结构的局部场增强诱导了场致电子发射，引起了金属表面的射频击穿，通过研究分析，提出采用分布反馈式谐振反射器，并采用梯形倒角非均匀慢波结构替换正弦慢波结构的方法来抑制射频击穿。数值模拟研究表明，在微波功率2 GW时，改进后的反射器最大场强由1.4 MV/cm降低为570 kV/cm，慢波结构表面最大电场由1.1 MV/cm降低到780 kV/cm。改进后的结构在二极管电压765 kV时获得了微波功率2.2 GW、脉宽45 ns的实验结果，微波功率和脉宽得到显著提升。
相对论返波管 射频击穿 功率容量 谐振反射器 慢波结构 relativistic backward wave oscillator RF breakdown power capability resonant reflector slow wave structure 强激光与粒子束
2011, 23(11): 3069
