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    ICF与激光等离子体

蒋 勇   贾 奎   邱 荣   廖 威   晏良宏   王毕艺   官上洪   郭德成   周 强   袁晓东  

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疲劳效应是诱导高功率固体激光装置中光学元件激光损伤的因素之一, 目前对SiO2化学增透膜激光诱导疲劳损伤的研究鲜见报道。基于此, 本文采用单一激光能量多发次辐照和多梯度激光能量多发次辐照两种不同的激光辐照方式, 研究1064 nm化学增透膜层的激光疲劳损伤效应及特征。研究结果表明, 在单一激光能量多发次脉冲激光辐照下, 膜层最易发生疲劳损伤; 采用多梯度激光能量多发次辐照的方式, 可以有效地提升膜层的损伤阈值, 进而提升膜层的抗激光疲劳损伤性能。

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    复杂电磁环境

李 岩   程二威   张冬晓   张庆龙   陈亚洲  

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为了探究快沿电磁脉冲(FRTEMP)对无人机收发信机的损伤效应, 以某型无人机收发信机为研究对象, 通过快沿双指数脉冲Marx源与GTEM室模拟产生快沿电磁脉冲对收发信机进行辐照实验。以收发信机是否损坏无法工作为收发信机是否受到电磁脉冲损伤的判别依据, 同时进一步检测收发信机内部电路具体损坏器件。实验结果表明, 快沿电磁脉冲能够造成无人机收发信机损坏, 得到了导致无人机收发信机损坏的快沿电磁脉冲场强阈值。对损坏的无人机收发信机进行机理分析和检测, 结果表明, 本振电路损坏导致收发信机无法输出工作信号, 而锁相环是导致本振无法工作的的关键原因, 通过定位到具体受损器件可以进行进一步脉冲防护工作以及为易损器件加装防护提供基础。

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付亚鹏   张 琪   高 成   孙 征   杜立航  

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研制了一套能够同时测量线缆皮线和芯线感应电流的试验系统, 研究自然闪电条件下敷地线缆的耦合问题。结果表明：不同位置处的线缆皮线感应电流波形基本一致, 但幅值存在一定差异, 说明感应电流空间分布不均匀; 所测线缆芯线和皮线感应电流的时域波形和频谱比较相似, 能量集中在1 kHz~1 MHz之间; 正负地闪芯线感应电压波形均为单一脉冲型, 波形持续时间10~49 μs; 正地闪线缆感应电压的幅值范围及幅值平均值都大于负地闪相应结果, 说明正地闪产生的线缆耦合作用大于负地闪; 不同雷电过程的线缆感应电压幅值与磁感应强度有较小的相关性, 而同一雷电过程则基本成线性关系; 正地闪线缆感应电压波形持续时间、半峰值宽度、10%~90%上升时间的范围及均值都比负地闪的要大。

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束国刚   杜子韦华   黄 玮   陈宇浩   陈卫华   周 熠   翟守阳   何 奇   谢彦召  

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高空电磁脉冲(HEMP)可通过线缆、孔缝等耦合通道进入电子设备, 对各种电子化设备造成暂时甚至永久损伤。考虑到核电站的安全防护等级要求极高, 因此有必要研究强电磁脉冲作用下核电站内电子系统的易损性和薄弱环节。首先确定并搭建了核电站最小安全系统模拟试验系统, 包括电气、仪控系统和时钟同步系统; 搭建满足GJB 8848-2016规定的威胁级辐照试验平台; 然后对核电站最小安全系统进行辐照效应试验。利用试验数据及效应现象, 初步分析了核电站最小安全系统在强电磁脉冲作用下的效应规律, 发现HEMP对核电站最小安全系统具有一定程度的威胁, 但未影响其核心关键职能。通过总结效应现象、分析薄弱环节和效应阈值, 为接下来核电站最小安全系统的易损性评估和防护策略的制定提供依据。

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王文兵   周 辉   刘逸飞   马 良   程引会  

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给出了两种适用于二维单步交替方向隐式时域有限差分(2-D Leapfrog ADI-FDTD)方法的吸收边界：Mur边界和卷积完全匹配层(CPML)边界。单步交替方向隐式时域有限差分(Leapfrog ADI-FDTD)方法是一种无条件稳定的全隐式差分算法, 由于二维空间Leapfrog ADI-FDTD的迭代同时存在显式和隐式方程, 故而不同电磁分量的边界条件也存在差异。从原理出发, 推导了适用于2-D Leapfrog ADI-FDTD方法的CPML边界条件, 并与一阶Mur边界进行比较, 利用自由空间的反射误差来表征两种边界的吸收性能, 简要总结了两种吸收边界的优缺点。

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乔 江   杜晓燕   卫佩佩  

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对流层折射误差是影响雷达测量定位系统精度的主要因素之一。针对VMF1(Vienna Mapping Function 1)用于对流层折射误差修正时存在的实时性差、分辨率低的问题, 引入GPT2w模型并提供分辨率为1°×1°的相关参数, 结合Saastamoinen模型构建形成SG-VMF1模型。基于新模型和映射函数法的计算原理, 对4个IGS（International GNSS Service）测站在不同高度角时的对流层折射误差进行估算, 并与射线描迹法的计算结果进行对比分析。结果显示：以结合IGS实测气象数据的射线描迹法的计算结果为基准时, 利用SG-VMF1模型及相关理论计算的结果在高度角大于6°时RMS值可达到0.4 m, 在高度角大于30°时RMS值可达到0.1 m, 计算方法可行有效, 且具有实时性和较高的分辨率。

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马 宇   章海锋   刘 婷   李文煜  

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设计了一种结合正方形和八边形环的波束扫描超材料平面反射阵列天线。相比于传统的阵列天线设计, 运用了新的相位补偿方法, 即通过组合反射阵列单元在介质基板的材料不同时得到的相位曲线实现0~360°的相位补偿, 使得阵列单元的相位曲线不需要完全覆盖0~360°, 并且采用埃尔米特插值的方式解决相位特性曲线线性度差的问题。该方法的优势是具有广泛适应性, 降低了对阵列单元的设计要求。利用这种方法设计了几款单层平面反射阵列天线, 仿真结果显示反射波束方向与预期设定值相符合, 且副瓣与主瓣都相差至少15 dB。通过调节超材料固态等离子体激励区域的范围即改变阵列单元的谐振结构, 实现了空间波束扫描, 为平面反射阵列天线的设计提供了一种新思路。

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祁 超   魏光辉   潘晓东   李 伟   王雅平  

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为研究电磁脉冲串重复率变化对数字通信电台阻塞效应的影响, 以某型数字通信电台为受试对象, 通过电磁脉冲注入试验, 研究了受试电台误码率随电磁脉冲串幅度、重复率的变化规律。结果表明, 重复率在50 Hz及其以下时, 同一脉冲重复率下, 随着脉冲幅度的增大, 受试电台误码率随之增大, 在达到敏感度判据标准后趋于稳定。不同脉冲重复率下, 电磁脉冲重复率与受试电台敏感误码率之间存在线性关系, 电磁脉冲重复率越高, 受试电台测得的误码率越大, 且受试电台误码率达到敏感误码率标准时, 脉冲幅值在允许的实验误差内基本相同, 通过分析可推测, 脉冲重复率在414 Hz以下时, 电台的阻塞效应属于单脉冲阻塞效应的累加, 只有达到一定重复率后脉冲作用才会出现重叠, 此时的敏感电压值会随着重复率的增大而减小。

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    高功率激光与光学

王 超   康轶凡   白永林   王屹山   徐 鹏   王向林  

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为提高强激光场与惰性气体靶作用产生的孤立阿秒激光脉冲的能量, 给出了一种实现高次谐波过程中最佳谐波相位匹配的定量实验方法。研究了气体靶源与高斯型驱动激光场聚焦点相对空间位置对谐波相位匹配及谐波产率的影响, 得出了其最佳相位匹配位置始终位于驱动激光场聚焦点后3～5 mm, 而在聚焦点之前的位置区域, 严重的高次谐波相位失配导致谐波产率非常低。同时, 在最佳相位匹配条件下, 高次谐波场与驱动场具有相类似的空间强度分布特性, 该结果印证了目前通常采用的高次谐波场为高斯光束的假设。

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李金雪   王 杰   颜飞雪   王植杰   郭建增  

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建立了DF化学激光器压力恢复系统扩压器的流场仿真模型, 对扩压器流场结构进行了仿真分析。结果显示, 扩压器超扩段长度为1310 mm时, 激光器可工作压力为7.18 kPa。增加超扩段长度至1810 mm, 激光器的可工作压力上升至8.25 kPa; 插入2片楔形叶片, 激光器的可工作压力提升至8.52 kPa。适当增加超扩段长度和插入叶片的方式可在一定范围内提高激光器的工作压力, 研究结果对于化学激光器扩压器的设计与优化具有重要的参考价值。

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    高功率微波

王文星   蒋洪林   杨晶晶   黄 铭  

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轨道角动量作为一种新的、安全和高效利用频谱的传输复用方式引起了科学界的关注。基于均匀圆阵列, 设计了一种工作在X波段的宽带多模轨道角动量天线。该天线由旋转排列的三角形均匀圆阵列组成, 其特点是正负模式数的产生除了与馈电方式有关外, 还与均匀圆阵中阵元的旋转方式相关。仿真结果表明, 在X频段该天线-10 dB带宽范围为9.33~10.37 GHz, 带宽达到1.04 GHz, 总的效率为52%; 在相同阵元数量的情况下, 该天线产生的模式数多于矩形贴片天线。该天线具有馈电网络简单、带宽宽和模式数大等优点。

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李春霞   王淦平   金 晓  

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设计了一种非浸没式小型化轴向无箔二极管, 其阴极发射区位于螺线管中心孔以外, 采用螺线管、永磁体和软磁体构成的复合引导磁场系统。采用CST优化设计二极管结构, 使其满足800 kV电压下绝缘要求; 优化设计磁场系统结构及物理参数, 使其满足引导强流相对论电子束高效率传输的要求。采用粒子模拟（PIC）软件仿真电子束产生及传输过程, 验证其高传输效率。设计的阳极筒直径比原结构缩小约40%, 在产生同样均匀区轴向磁场强度情况下, 引导磁场重量和功耗比原结构降低约40%, 仿真结果显示主引导磁场0.85 T下, 8 kA电流能够实现100%传输效率。

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    核科学与工程

曹建勇   魏会领   刘 鹤   邹桂清   杨宪福   张贤明   唐立新   罗萃文   余佩炫   耿少飞   周红霞   周博文   李 青   何 峰   罗怀宇   周 健   任磊磊   潘春花   黄高扬   雷光玖   饶 军   段旭如  

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为开展磁约束堆芯燃烧等离子体物理实验, 正在建造的HL-2M装置拟建造3条5 MW的中性束注入加热束线。简要概述了HL-2M装置NBI加热系统的总体规划, 第1条5MW-NBI加热束线的设计, 离子源调试实验, 注入器核心部件的安装和测试结果。通过调试, 目前单个离子源引出束流达到36 A, 加速电压75 kV, 离子束功率达到2.4 MW, 脉冲宽度3 s。通过测试发现：注入器的4条离子束汇聚角误差小于±0.1°, 残留离子偏转磁体的磁场测试值与模拟计算值偏差小于±5%, 注入器静态真空值达到1.0×10-3 Pa。注入器采用大型非标低温泵, 低温泵的抽速达到2.40×106 L/s。第1条5MW-NBI加热束线的试装和测试结果表明, 该束线能够满足HL-2M装置NBI加热的技术要求。

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黄 欢   黄洪文   郭海兵  

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基于蒙特卡罗程序JMCT2.2和商用CFD程序FLUENT, 通过C++语言, 采用外耦合的方式开发了一套耦合接口程序。利用JMCT网格和FLUENT计算域之间一一映射的方式完成物理模型和CFD模型之间的网格匹配, 实现了物理模型的简单划分和CFD模型网格的精细划分。利用该耦合程序计算了压水堆单根燃料棒模型和3×3带水洞的燃料子组件模型, 并与MCNP与FLUENT耦合计算结果进行对比。计算结果表明, 使用本文的方法, 耦合JMCT程序与FLUENT程序能够用于物理-热工耦合计算并准确提供其反馈参数。

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印茂伟   任雪美   廖 鹏   任立学  

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提出了一种基于相对熵的放射源γ能谱识别方法。首先, 利用主成分分析（PCA）算法压缩数据, 构造γ射线能谱的特征空间。然后, 采用随机化技术（RT）来使特征空间中γ射线能谱的特征值归一化, 这样, γ射线能谱的特征空间可以看作是概率空间。最后, 定义两个概率空间的相对熵来测量两个γ射线能谱的相对差异。大量实验表明, 所提方法能够更加有效地辨识γ射线能谱, 不仅计算量小, 而且对诸如统计浮动、谱峰偏移、底噪等因素具有很高的鲁棒性。

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    激光与粒子束技术应用

李井元   方黎勇   胡栋材   齐晓世  

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针对基于X-Ray的焊球阵列封装（BGA）焊接缺陷检测中, 现有的图像处理算法无法有效处理PCB意外倾斜的问题, 提出了一种自动判断BGA焊点X射线图像倾斜程度并进行校正的方法。首先根据BGA焊点阵列排布的特性恢复出原始图像中的结构信息, 然后使用广义逆矩阵求解出理想正视图像与实际倾斜图像之间的变换矩阵, 最后对倾斜图像进行逆变换以得到理想正视图像, 并使用变换矩阵估计出PCB的倾斜程度。实验针对正视与倾斜的BGA焊点的X射线图像, 运用所提方法, 准确判别出图像的倾斜程度, 并进行了校正。此方法既可以作为一种图像质量评价算法, 在BGA X-Ray缺陷检测中判断图像是否为需要的正视图像; 也可以作为一种图像自动校正算法, 提升基于X射线的自动检测系统的适应性。

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    加速器技术

周建新   康 文   李 帅   尹宝贵   吴煜文   刘艺琴   吴 锡   李 藜   邓昌东  

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中国散裂中子源(CSNS)加速器主要由一台直线加速器、一台快循环加速器以及低能、高能输运线组成。针对CSNS加速器部分直流磁铁研制了一套旋转线圈测量系统。对系统的研制方案、功能、精度、完成的磁铁类型以及部分测量结果进行介绍。该系统解决了CSNS批量磁铁之间的不同中心高度、质量、有效长度、磁场强度的兼容性难题。经过测试运行, 积分场测量重复性误差好于±0.02%, 空间谐波重复性误差好于0.005%, 磁中心测量重复性误差好于±0.03 mm, 顺利完成了中国散裂中子源工程150台多种类型磁铁的检测任务。

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李世龙   丛 岩   许少凡   张瑞锋   韩小东   仪孝平  

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针对医用重离子加速器装置(HIMM)同步加速器对于高频系统不同能量波形输出的需求, 设计实现可输出不同能量对应腔体电压及偏磁电流波形的同步信号源。该系统以ARTERA公司FPGA作为核心处理元件, 接收并处理多组腔体电压及偏磁电流波形文件, 同时以DAC作为输出单元, 通过接收同步光触发信号实现不同能量对应给定波形信号的无缝切换及同步输出, 完成HIMM同步高频信号源的设计。测试结果表明, 该信号源工作稳定, 可实现各种不同能量对应波形的无缝切换及同步输出, 其性能完全满足HIMM系统对碳离子捕获加速的要求。相比于商业任意波形发生器产品, 该系统价格低廉, 且模块化的设计易于集成, 可广泛应用于其他需产生任意波形信号的场合。

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张醒儿   杜垚垚   张 琪   王之琢   周嘉申   蓝清宏   黄玺洋   卢艳华   刘 芳   麻惠州   叶 强   随艳峰   岳军会   曹建社   魏书军  

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介绍了数字BPM算法的原理和架构, 并基于高能物理研究所自制的数字BPM硬件平台获取了BEPC Ⅱ束流流强为600 mA条件下的ADC采样数据。然后在MATLAB环境中设计了NCO模块、CIC滤波器、FIR滤波器以及BEPC Ⅱ束流逐圈位置数据计算模块, 并给出了各模块的具体设计参数。最后通过实际ADC数据对各算法模块进行检验, 给出了各模块处理后的频域分析结果, 并得到了实际束流下水平方向和垂直方向上的逐圈位置分辨率分别为4.55 μm和4.28 μm, 为FPGA在线算法的实现与优化提供了可靠的理论依据。

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阮爽   杨建成   任 航   刘 杰   盛丽娜   申国栋   王儒亮   杜 衡   马桂梅  

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中国科学院近代物理研究所承担的强流重离子加速器装置目前已进入了初步设计阶段。增强器作为该装置的主加速器, 可利用双向涂抹技术将238U35+束的粒子数累积至1.0×1011, 并将其从注入能量为17 MeV/u加速至高能量, 引出能量的范围为200-835 MeV/u。为了提供s量级的准连续束以开展辐照实验, 增强器中设计了慢引出系统, 该系统将采用三分之一共振与RF-knockout的引出方法。同步加速器中有两种不同种类的六极磁铁, 用于实现色品校正与共振驱动, 并在设计中考虑了两者能同时运行并互不影响。针对增强器中不同引出能量的238U35+束, 对其相应的稳定接受度模拟结果进行了比较, 并给出了在引出静电偏转板处的光学匹配参数, 这将为增强器中重离子束的慢引出及放射性次级束流分离器的入口光学设计提供重要的理论依据。

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聂小军   刘 磊   康 玲   陈佳鑫   王安鑫   余洁冰   贺华艳   朱东辉  

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废束站束窗是废束站的重要部件。利用束流的束斑尺寸及功率确定束窗能量的高斯分布方式; 通过蒙特卡罗方法计算束窗的沉积能量。利用ANSYS稳态分析确定束窗的材料、截面形状和厚度。通过计算比较束窗在不同材料、截面形状和厚度条件下的温度、应力和变形, 得出合适的束窗材料、截面形状和厚度, 从而确定束窗的最终结构。最后利用瞬态方法模拟束窗调束时的温度分布情况。

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    脉冲功率技术

崔言程   杨汉武   高景明   李 嵩   时承瑜   伍麒霖  

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磁开关因其独特的饱和导通机制而在脉冲功率技术领域应用广泛, 利用磁开关饱和前后电感差异大的特点, 可以将其用作撬断开关来陡化脉冲后沿。利用金属氧化物压敏电阻的稳压特性, 能在负载上得到具有一定平顶的脉冲准方波, 进而可通过改变磁开关的伏秒积来进行脉宽调整。提出一种脉宽可调的高压脉冲发生器技术方案, 利用压敏电阻产生高压脉冲准方波, 用磁开关作为撬断开关来陡化脉冲后沿, 并通过改变磁开关复位电流的大小来控制磁开关的复位深度, 进而实现脉宽可调。首先进行了理论分析及软件模拟研究, 然后基于模拟结果开展了初步实验研究。初步实验得到的负载电压波形后沿小于30 ns, 脉宽可调范围大约30%, 验证了磁开关的后沿陡化效果以及用于脉宽调整的可行性。

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李 逢   温伟峰   蒋吉昊   王 勐   危才华  

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对大气环境中脉冲电压加载下绝缘介质沿面闪络放电开展了初步放电图像诊断研究。采用超高速可见光分幅相机诊断指状电极结构下有机玻璃材料在大气环境中不同时刻闪络通道发光图像特征。实验结果表明：闪络通道形成和扩张阶段中, 阴极区域和阳极区域均产生放电发光, 放电通道沿固体电介质表面快速贯穿, 贯穿时间约15 ns, 贯穿后发光通道逐渐扩张至一定区域, 发光强度大, 维持时间长, 整体发光时间可持续到μs量级, 放电通道内能量分布有所差异。

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张恺烨   宋法伦   张北镇   张 琦   甘延青   龚海涛   金 晓  

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基于高功率重复频率脉冲功率源的应用需求, 研制了一种三电极场畸变结构气体火花间隙开关, 并开展了重复频率条件下的触发特性研究。实验研究了场畸变火花间隙开关的触发特性随重复频率、气体成分、工作压强和工作系数的变化关系, 计算了气体开关的触发击穿时延和抖动参数, 分析了影响开关触发特性的主要因素。实验结果表明：气体开关触发击穿的抖动随着重复频率增加而增大; 填充气体中SF6和 N2体积比1∶1时, 混合气体的综合性能较好; 工作系数主要影响开关第二放电火花间隙(间隙2)的击穿抖动。

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张思群   王昆仑   李 晶   杨 亮   黄显宾  

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为获取聚龙一号实验装置负载放电产生硬X射线的能谱分布, 设计了一套7通道硬X射线能谱仪。介绍了这套多通道硬X射线能谱仪的测谱原理、主要参数及根据测量结果回推光源辐射能谱的解谱算法。在聚龙一号装置丝阵负载物理实验中对测量系统进行考核, 获得了信噪比较高的测量波形。利用最大熵方法进行解谱, 获得了丝阵负载产生的硬X射线能谱分布, 辐射能段主要集中在200~500 keV附近, 且1 MeV以上光子份额较低。

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    太赫兹技术

肖宇杰   林福民  

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通过本征方程研究了工作在太赫兹(THz)频段的高次模同轴谐振腔, 讨论了TMm,1,0模, TMm,2.0模与TMm,1,1模的谐振频率与腔体的几何参数之间的关系, 并给出了工作模式的选择依据。在此基础上, 提出了一种新型的0.3 THz TM10,1,0模同轴耦合腔链, 使用等效电路模型和CST-MWS软件对耦合腔链的色散特性、特征阻抗和电场分布等冷腔特性进行了分析和仿真, 并着重分析和总结了耦合腔链的几何参数对色散特性和特征阻抗的影响。研究结果表明：对于工作在THz频段的高次模同轴耦合腔链, 采用TM10,1,0模为工作模式是合理的选择; 工作于2π腔模的0.3 THz TM10,1,0模同轴耦合腔链具有较大的特征阻抗, 但模式间隔较小, 因此可将其应用于窄带太赫兹扩展互作用器件; 增大高次模耦合腔链的耦合槽张角是增大模式间隔的最佳途径。

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    研究快报

董克攻   张昊宇   黎 玥   林宏奂   赵 磊   王建军   景 峰  

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受限于短脉冲泵浦源高峰值功率和高平均功率之间的矛盾, 以及短脉冲泵浦源芯径与光子晶体光纤芯径的较大差异, 现有的短脉冲白光超连续谱光源输出在200 W左右。基于短脉冲泵浦源工作频率和脉冲宽度的调节技术、高效的模场匹配技术等, 实现了kW级全光纤短脉冲泵浦源的稳定产生, 以及短脉冲泵浦源与光子晶体光纤纤芯之间的高效耦合, 产生了平均输出功率为563 W的高功率超连续谱光源, 为目前该领域公开报道的最高功率。

       PDF全文 (下载：0)        强激光与粒子束, 2018年第30卷第10期 pp.100101