针对高功率激光系统中信噪比低的问题,基于描述超短脉冲传输的非线性薛定谔方程进行数值模拟,研究了高阶群速度色散、光谱调制及自相位调制对脉冲信噪比的影响;新建立了用于分析光栅平整度对脉冲信噪比的影响的物理模型并进行了相应的模拟,分析了光栅的质量要求或补偿精度.研究表明:对于100 fs的高斯脉冲,要保证信噪比达到108,应将三阶色散量限制在4.8×105 fs3以下,B积分的值应小于0.2,光谱的调制幅度应小于10-4,光栅平整度应优于λ/100.

建立了C波段磁绝缘线振荡器开放腔模型,通过监测宽带激励源的响应计算出开放腔的谐振频率和有载品质因数.用时域有限差分法计算了不同的径向位置一个周期内的径向电场随纵向距离的变化.计算表明:0～4.1 cm区电场很小但不为零;4.1～11.5 cm区域电场呈现驻波特性;在11.5～20 cm区域电场分布比较复杂,表现两个性质,一是驻波场过渡到行波场,二是从周期性加载圆柱谐振腔的TM00模过渡到同轴线的TEM模;在20～36.85 cm区域电场每经过1/4周期向右传播1/4波长,表现出行波特性.由此根据该计算结果将开放腔中的场从左到右分成4个区:截止区、驻波区、过渡区和行波区.最后根据定义计算了开放腔的固有品质因数和有载品质因数.

用时域有限差分法分析了高斯脉冲激励的Wu-King加载偶极天线的特性.给出了天线周围空间瞬态场的变化情况及天线上的电流波形,这种形象化的结果为加载脉冲辐射天线的设计和改进提供了直观的物理依据.通过时域远近场变换,得到了天线脉冲辐射远场.计算并给出了描述脉冲辐射器性能的时域参数:保真度和能量方向图.

在3维Yee网格模型以及蛙跳模型的基础上,分析了3维电磁场离散算法及其稳定条件,讨论了3维空间网格上电磁场作用于粒子的平均场权重法和粒子作用于电磁场的Charge-conserving法,同时也讨论了3维空间网格上理想导体边界条件、自由吸收边界条件、爆炸式发射模型的模拟实现方法.以向内发射同轴二极管为例从其电流电压关系及电子束运动特性方面验证了模拟的正确性.

理论研究了重复频率高功率微波脉冲在大气中的传输特性,推导了n个高功率微波脉冲之后空间某点的电子密度,数值模拟并给出了在不同微波频率、大气压强、脉冲宽度以及脉冲间隔的条件下,大气击穿时,透射过去的脉冲个数与微波功率的关系.模拟结果表明:当微波脉冲参数一定时,压强越小,透射过去的脉冲个数越少,大气越容易发生击穿;当压强一定时,脉宽越宽,微波频率越小,透射过去的脉冲个数越少,大气越容易发生击穿.

指出平面1维近似不符合在远场处微波单位面积能流与传输距离平方成反比的规律.给出了束流1维近似下微波大气传输的基本方程组.详细研究了微波电离大气的特性和相似律.估计了平面1维近似下和束流1维近似下的尾蚀,指出当无量纲电离电子数不太小时,两者可能有很大差别.

对电子储存环共振退极化标定能量的原理和步骤进行了描述,重点讨论了在合肥光源(HLS)共振退极化标定电子能量的方法中自旋响应函数的计算,给出自旋响应函数在HLS储存环一个单位周期上的分布.在将来的HLS的退极化实验中,退极化场位置处的自旋反馈函数为1.569 m,根据退极化场的计算结果,需要的退极化时间为60 s.

通过对带有耦合器的单驻波腔进行等效电路分析,推导出可计算带有耦合波导的单谐振腔外部Q值的反射相位法,该方法通过计算不同频率的反射相位来确定谐振频率和外部Q值.详细叙述了在CST Microwave Studio中用谐振模式求解法、直接时域跟踪法和反射相位法进行计算的步骤;用这3种方法分别计算了二次发射微波电子枪的外部Q值并和实验测量结果做了比较.结果显示3种计算方法都有很高的精度,但反射相位法的速度最快,耗时1 071 s.计算发现外部Q值与耦合口长度的4.1次方成反比.

为减小边缘场效应,大型固定磁场交变梯度(FFAG)磁铁的磁场分布由修整线圈和磁极形状两者共同来实现.通过2维POISSON模拟计算,确定了修整线圈电流和位置的分布以及磁极形状, 得到了局域磁场梯度指数与设计值之间的最大差异只有0.5%的磁场分布.为提高POISSON模拟计算的效率,POISSON输入文件中有关线圈电流和位置、磁极形状的输入和调整由程序自动完成.

感应加速腔有径向馈入和轴向馈入两种常用的脉冲功率馈入方式.在理论上分析了不同功率馈入方式对感应加速腔输出电压平顶的影响,并对分析结果进行实验论证.实验采用1B2C结构,用相同的脉冲功率源馈入径向腔和轴向腔,测量此两种加速腔的电压波形.测得轴向腔±1%电压平顶时间为61 ns,径向腔±1%电压平顶时间为62 ns,两种腔都可满足±1%电压平顶大于60 ns的要求.此外对不同功率馈入方式导致的横向阻抗的变化进行了数值模拟,分别计算了采用这两种馈入方式的加速腔模型的横向阻抗,发现轴向加速腔的横向阻抗较小.

曲柄式磁压缩系统是北京大学SASE自由电子激光装置中非常重要的部分,通过其对电子束团的压缩为扭摆器提供高流强、短脉冲的电子束,使电子束在扭摆器内较短的距离实现饱和出光.曲柄式磁压缩需要利用偏离高频峰位的加速相位使得电子束产生能量-位置关联,主要讨论高频相位抖动与能量-位置关联的相互关系,高频相位抖动使得束团的能量-位置关联不同,即束团内电子能量随位置分布不同.进而研究其对磁压缩性能的影响,即能量-位置关联不一样会导致磁压缩得到的束团长度出现涨落.

介绍了一种用于合肥光源的二分割三角型光位置检测器的设计,进行了位置信号的两种处理方法(和差比与对数比)的比较.对光位置检测器进行了测试和标定,测量结果与理论分析相当吻合.光位置检测器已成功地应用于软X射线磁性圆二色(MCD)光束线,如进行光位置稳定性测量和慢速局部反馈,给出了这些应用的结果.

介绍了兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)CSRm引出kicker磁铁的物理设计、参数计算以及结构设计和加工.为了减小电感,使上升时间达到要求,CSRm引出kicker磁铁采用分布式的传输线方案,同时将无感电容与磁铁并联以满足匹配的问题.磁铁用单匝线圈和铁氧体铁芯来降低电感、减少涡流损耗,并采取两台电源成对供电、导体一端共地的结构形式消除杂散电感和轴向场,这种方式不但消除了过桥的不利影响,而且可通过调节导体间距离方便的调节磁场均匀区宽度和磁铁电感.完成设计后磁铁电感小于1 μH,在140 mm范围内磁场均匀度好于±0. 5%,最高磁场达到0.038 T,最大峰值激磁电流约为2.5 kA.

针对基于MEMS技术制造的连续面型薄膜微变形反射镜,从薄膜理论出发对其力电耦合变形特性进行理论分析,导出了镜面变形表达式.利用该式及响应频率表达式,定量分析了镜面相关尺寸参数对变形量的关系,为变形镜的结构设计提供了可靠的理论依据.结果表明,当镜面厚度为1 μm且与驱动电极间距20 μm时,对控制电压不超过120 V,响应频率大于50 kHz的应用场合,变形镜镜面半径应在2.1～13.8 mm之间进行选择.仿真结果显示,驱动电压较小时,镜面变形与驱动电压平方近似成线性关系.

在"闪光-Ⅱ"装置上进行了1 MV同轴型水介质多针自击穿开关实验研究.开关击穿电压1～1.5 MV,开关总电流200～550 kA,电脉冲的脉宽约150 ns,上升前沿约60 ns.每个开关间隙的放电电流和输入输出电压分别用Rogowski线圈和CuSO4水电阻分压器测试.介绍了分压器的设计和标定,分析了产生误差的原因.针对类似测试,提出几点完善措施:测试电流线圈要密封隔水;水电阻分压器的第1级分压的分压比不能过大;调节CuSO4溶液的浓度,使水电阻的阻值满足频率响应的要求;注意分压器的放置方式;分压器和电流线圈的输出电压设计要适中.

采用双极扩散近似的流体力学模型,通过数值模拟方法研究了射频感应耦合等离子体(ICP)中等离子体密度和电子温度等物理量的空间分布,其中射频源的功率沉积由动力学理论给出.分析了不同的射频线圈的驱动电流和放电气压对等离子体密度和电子温度空间分布的影响.在低气压下,等离子体密度基本上保持空间均匀分布.随着放电压强的增加,等离子体密度的分布呈现出明显的空间不均匀性.当线圈电流增大时,等离子体密度和电子温度都随着增大.

采用自悬浮-冷压法,在不同压力下制得纳米Cu固体材料并对其在不同温度和保温时间下进行退火,利用X射线衍射(XRD)和正电子湮没寿命谱(PAS)分析对材料的结构和微观缺陷进行了表征.XRD分析表明,压制而得的样品晶粒度为20 nm,低于300 ℃退火3 h后并未发现晶粒显著长大;PAS分析表明,压制后的样品缺陷主要为单空位和空位团,大空隙很少,随着退火温度的升高和退火时间的延长,单空位通过扩散结合成空位团,大空隙也在温度较高时分解为空位团,导致空位团的含量增加,而单空位和大空隙的含量降低.

采用空间综合辐照模拟设备研究了100 keV和150 keV能量的质子辐照对MQ硅树脂增强的加成型硅橡胶的损伤及其对硅橡胶热性能的影响.试验结果表明:质子辐照后,硅橡胶表面出现损伤裂纹,随辐照能量和剂量的增加,裂纹的数量增多,裂纹增大;质子辐照后,硅橡胶的质量有所损失,其质损率随辐照能量和剂量的增加而增加;质子辐照后硅橡胶的耐热性随辐照剂量的增加先略有增加而后下降,经辐照后的硅橡胶在玻璃态和玻璃转变区的温度区间内收缩率降低,而在高弹态的温度区间内膨胀率增加.

采用溶胶-凝胶工艺在石英衬底上制备ZnO:Al(AZO)薄膜,通过不同温度的退火处理,研究了退火对AZO薄膜结构和光致发光特性的影响.XRD图谱表明:所制备的薄膜具有c轴高度择优取向,随着退火温度的升高,(002)峰的强度逐渐增强,同时(002)峰的半高宽逐渐减小,表明晶粒在不断增大.未退火样品的光致发光(PL)谱由361 nm附近的紫外带边发射峰和500 nm附近的深能级发射峰组成.样品经退火后,以500 nm为中心的绿带发射逐渐减弱,而带边发射强度有所增强,并且逐渐红移到366 nm附近,与吸收边移动的测试结果相吻合.对经过不同时间退火的样品分析表明,AZO薄膜的发光特性与退火时间也有很大关系,时间过短可见波段的发射较强,但时间过长会使晶粒发生团聚,导致紫外发射峰强度减弱.

为了进一步研究高能X光散射的特性,以平板为模型,通过解析方法和蒙特卡罗(MC)数值模拟研究了X光散射的规律.研究结果表明:高能X光的散射以康普顿散射为主,当平板厚度相应的X光光程小于2.0时,平板散射中的一次康普顿散射超过75%;当到达探测器的散射照射量最大时,平板厚度相应的X光光程介于1.0与2.0之间.

实验考察了立式氧碘化学激光器的工作性能.在氯气流量为82 mmol/s,无主稀释气的条件下,输出功率约1.3 kW,化学效率达到16.9%.分别与以氦气和氮气为稀释气的氧碘化学激光器进行了主要参数的比较(He-COIL在氯气流量110 mmol/s时,输出功率为2.4 kW;N2-COIL在氯气流量115 mmol/s时,输出功率为2.6 kW;立式氧碘化学激光器在氯气流量115 mmol/s时,输出功率为1.32 kW),结果表明该COIL装置初步实验结果与传统的He-COIL和N2-COIL相比还存在很大差距.但通过对实验结果的深入分析得知,若进一步降低单重态氧发生器的pτres值,缩短超音速喷管中亚音速段的氧碘混合长度或采用超音速段氧碘混合方式,使该立式氧碘化学激光器在无主稀释气的条件下运行且达到与He-COIL和N2-COIL相当的功率水平是可以实现的.

针对单元红外成像探测器的特点,利用激光的高亮度,对激光干扰单元红外成像探测器进行了理论分析和实验研究,研究了激光的功率参数和脉冲频率参数对单元红外成像探测器输出特性的影响,得到了具体的实验结果.并利用调制盘对激光脉冲的反射信号初步确定了单元红外成像探测器调制盘的旋转速度.

在气动光学研究中,Ronald J. Hugo 和Eric J. Jumper的小孔径光束技术(SABT)波前重构算法在理论推导中忽略了与涡结构尺度相关的对流速度的差异,因此必然会给波前重构带来误差.用小波分析提取了上、下游探测光束输出的不同尺度的光程信号,通过计算两个探测光束输出的同一尺度信号的互相关系数,并利用互相关系数达到最大值对应的延迟时间研究了尺度相关的对流速度,然后再进行尺度相关的小孔径光束波前重构.结果表明:相对于单一对流速度的小孔径光束波前重构算法,该尺度相关的波前重构算法能有效地提高波前重构的精度.

自行研制了一台基于双边缘技术的多普勒激光雷达,用于测量对流层大气风场.该雷达采用具有高光谱分辨率的双Fabry-Perot干涉仪来检测气溶胶后向散射的多普勒频移量.给出了多普勒测风激光雷达的结构和参数.利用干涉仪参数讨论了雷达系统的测量精度.实验测定了双干涉仪的频谱曲线.通过计算和分析,由测量的干涉仪频谱曲线的的标准偏差引起的系统测量误差为0.5 m/s.系统的测量误差随着测量的高度和所测速度的增加在增大,在高度10 km测量50 m/s的风速时系统的测量误差小于2 m/s.

在激光传输与放大系统中,激光束的空间滤波是光束质量控制的重要环节.利用各向同性晶体的旋光性,采用偏振光检偏法选择不同空间频率光束的通过与阻挡,实现激光光束的近场空间滤波.用多个滤波器串接构成滤波器组,可提高光束空间窄带滤波性能.该方法有利于克服激光工程中采用4f滤波带来的空间滤波器体积庞大与抽空耗能的缺点.

皮秒级瞬态取样门主要应用于激光聚变实验和高能物理实验中,对单次高速脉冲进行实时取样.提出了一种新颖的基于肖特基二极管桥的平衡取样门,给出其模型和具体电路设计.电路仿真结果表明,对称的选通设计保证了选通脉宽为100 ps时,取样间隔也为100 ps,取样门带宽为4.4 GHz,可应用于多路超短激光脉冲取样.

研究了一种高分辨率成像的方法,该方法利用余弦条纹照射目标以获取目标更宽的频谱.条纹对目标的照射起到了对目标频谱的搬移作用,使光学系统截止频率外的一部分高频分量通过系统.利用多幅条纹照射目标并分别成像,各条纹空间频率相同而相位按照一定规律变化,综合处理照射条纹后获得的图像将叠加在一起的频谱分量分离开并恢复到相应的位置,经过反变换获得高分辨率的图像.通过计算机仿真验证了这种方法的可行性.

为用干凝胶法制备用于ICF靶的空心玻璃微球(HGM),研究了载气组份、温度和压力对成球过程和HGM品质的影响,优化了制备工艺参数.结果表明:提高载气中氦气的含量,有利于增加干凝胶粒子的成球率和HGM的纵横比;适当提高载气中氩气的含量,有利于提高HGM的表面质量.降低载气压力可以提高HGM的纵横比;升高载气温度可以提高干凝胶粒子成球率和HGM品质.当载气中氦气的体积分数在50%～80%,载气压力在(0.75～1.00)×105 Pa,载气温度在1 500～1 650 ℃时,干凝胶粒子的成球率较高,HGM的球形度、同心度和表面光洁度较好.制备得到了直径100～500 μm、壁厚0.5～3.0 μm的HGM,其耐压强度、抗大气侵蚀性能和表面粗糙度等指标均满足ICF物理实验要求.

激光诱导扩散中,当入射激光光强为高斯分布甚至均匀分布时,微小扩散区的温度分布不均匀.由于扩散系数是温度的函数,必将导致扩散后杂质浓度分布的均匀性较差,无法制作出高性能的p-n结.提出采用多次激光诱导扩散的积分效应来实现杂质浓度分布的均匀化整形.对于InP衬底的CO2激光诱导Zn扩散,利用温度闭环测控系统测得的基片表面热斑温度场分布,分析计算了两次激光诱导扩散重叠区域的浓度分布积分效应.在此基础上模拟计算出,用双次曝光积分效应做杂质浓度分布的均匀化整形时,基片上两次激光照射位置的最佳间隔为20 μm.这为改进激光诱导扩散工艺,用多次曝光实现面均匀的杂质浓度分布奠定了理论基础.

对惯性约束聚变的一种重要诊断方法--Kirkpatrick-Baez型结构显微镜成像方法进行了研究.计算了Kirkpatrick-Baez型结构显微镜的主要像差,并分析得出:造成轴上点像差的主要因素是球差,占像差的94%.基于光线追迹方法模拟出这种结构的成像过程,比较了不同反射镜长随视场变化对物面分辨率的影响,发现为了保证物面的空间分辨率能达到ICF研究要求视场应尽量控制在200 μm以内.最终得出能量在8 keV、视场为200 μm,分辨率小于10 μm的Kirkpatrick-Baez型结构的模型.提出在装调过程中重要公差计算方法,得到数值孔径为0.003 7时,角度装调公差应在-0.087°～0.067°范围内.

为了满足"神光-Ⅲ"原型装置能源系统的需要,桂林金属膜电容器厂研制成功一种高比能脉冲电容器,其尺寸为295 mm×138 mm×730(830) mm,额定电压25 kV,额定电容及偏差为55 μF,0～5 %,损耗角正切值(2.5 kV,50 Hz)小于 0.1%,比能达0.56 J/cm3 .对该型电容器进行性能测试,所得电容偏差都在2%～5%范围,损失角正切值小于0.05%;极间耐压试验全部通过,极-地耐压试验全部通过.寿命试验中,放电电流5 kA,1×104次充放电后,电容量下降1.8%.该型电容器目前已投入运行,工作情况良好.

提出了一种新的基于旋滤波法的干涉条纹预处理方法.该方法根据条纹图灰度值梯度分布规律,只在干涉条纹切线方向进行中值滤波,它能有效地处理各种相干噪声而不会使条纹变模糊.实验证明该方法能有效地去除随机噪声、椒盐噪声以及由于光照不均匀引起的较大面积的亮斑或暗斑等噪声.对于亮斑或暗斑,其滤波效果要明显优于Gerchberg外插迭代算法.以WYKO相移干涉仪5次测量的面形平均值作为被测面形的参考值,则经过预处理后,抑制了噪声引起的局部误差,傅里叶变换法计算得到PV值的误差从未预处理的14.4%(全口径)、13.1%(95%口径)分别减小到3.4%(全口径)、1.5%(95%口径);RMS误差从28.7%(全口径)、23.3%(95%口径)分别减小到5.0%(全口径)、2.3%(95%口径).

在间苯二酚类有机气凝胶的制备工艺中引入超声波技术,缩短了有机气凝胶制备周期.实验发现:反应物质量分数为10%的溶液在超声作用下的凝胶时间减少8%～17%,超声波能有效抑制凝胶过程中的氧化作用.在反应初始阶段,通过激光粒度仪测量稀溶液反应,发现超声波作用下的凝胶核生长速度是普通加热的凝胶核生长速度的87倍左右.微量水分测定仪的数据表明,低强度超声波可以上万倍地加快凝胶样品的溶剂交换速率.

介绍了单光子计数型CCD的工作原理.实验选择参数准确的X射线放射源前向辐照CCD的像元面,计数由此产生;通过积分获得X射线的强度分布,在CCD处于单光子计数状态下,扣除本底信号,得到该型CCD产生一个计数所需的光子能量,约6.453 eV.标定了该型CCD的探测效率.结果表明:在单光子计数型CCD的有效能区内,对于不同能量的入射光子,其探测效率不同,在5.3 keV处获得最高探测效率66%;随着能量的增大,探测效率降低.标定结果可为激光等离子体研究中定量测量X射线光谱提供实验参考.

叙述了多辊轧机轧制金属薄膜原理,以Ti膜制备为例,借助多辊轧机冷轧技术进行1.5 μm厚钛薄带的制备工艺研究.对薄膜的特性测试结果表明:工作辊的表面粗糙度对于轧制薄膜的表面粗糙度的影响很大,降低工作辊表面的粗糙度可以得到粗糙度为25.2 nm的金属薄膜.

简述了BeH2材料的制备方法、结构形式和物理化学性质,并分析了其在惯性约束聚变(ICF)中的应用.BeH2材料主要由二叔丁基铍热解法和元素化学气相沉积法制备,其纯度(质量分数)高达99%.非晶BeH2材料的结构是一种共用氢原子作为顶点的BeH4四面体网络结构.非晶BeH2材料不仅具有铍的优点,还具有聚合物的优点,作为ICF靶可以降低瑞利-泰勒不稳定性,而且掺入高Z元素后还可以降低D-T燃料的预热.非晶BeH2材料作为烧蚀层,掺入高Z元素后可以提高激光-X光的转换效率.

从PIN二极管基区双极载流子扩散方程出发,通过拉普拉斯变换求解得到PIN二极管子电路模型,从而通过PSpice软件瞬态数值模拟得到了PIN限幅器的尖峰泄漏、平顶泄漏与脉冲功率、上升时间关系.对于I层厚度一定的限幅器,模拟与实验表明脉冲前沿越大,尖峰泄漏功率插入损耗越大,脉冲前沿过缓则可能没有尖峰泄漏现象;尖峰泄漏功率随着输入功率的增加而变大,但尖峰泄漏功率插损也随之增大;尖峰脉冲宽度与I层厚度、输入功率及脉冲前沿均有关系.限幅器尖峰泄漏与平顶泄漏模拟结果与实验数据基本一致.

运用时域有限差分法结合基于Kirchhoff积分的近/远场变换,计算了高功率微波(HPM)和超宽带(UWB)电磁脉冲作用下自由空间不同长度线缆上感应的开路电压,分析了感应电压峰值和线缆长度之间的变化关系以及入射波波形参数对其影响.计算结果表明,辐射场电场强度为50 kV*m-1的HPM和UWB作用在线缆上可以感应出几百V到数十kV的脉冲电压;感应电压的峰值与线缆长度之间并不是单调线性增加的关系;HPM的载频越高,感应电压峰值越小;UWB的脉冲宽度越宽,感应电压峰值越大.

随着行波管的大功率小型化,收集极的温度分布和采用的散热手段对行波管的正常工作有很大影响.利用ANSYS软件对行波管收集极的散热问题进行详细的模拟计算,分析比较了不同热流加载方式对收集极温度分布的影响.采用均匀热流加载定性地比较计算了自然冷却、风冷、单层水套和双层水套等不同散热条件下收集极的热耗散功率,计算结果与经验值一致,说明了所用模型和方法的正确性.模拟分析为行波管收集极的散热方案优化设计提供有效的参考依据和手段.