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    高功率激光与光学

谭玉凤   王继红   任 戈   朱福音  

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针对大口径望远镜主镜在环境温度变化和太阳辐照变化引起的温度场变化进行了理论分析,根据圆柱坐标下设立的非稳态热传导方程和边界条件,利用分离变量法和格林函数法求解了主镜的温度场分布。为了验证求解的有效性,利用求得的温度场解析式和有限元软件分别分析了2.8 m口径望远镜实心主镜,反射面径向温度分布具有良好的一致性。表明该理论解析式能够较好地反映主镜反射面的温度场分布。将轻量化主镜进行无筋板的薄型镜热模型等效,并分别对两种镜子的温度场进行仿真计算,以此验证等效模型的正确性。轻量化主镜温度场的等效理论计算结果在主镜的早期设计研究阶段具有良好的参考价值。

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    高功率微波

李姝敏   李永东   刘 震  

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随着相对论返波管(RBWO)输出功率的提高, RBWO内部击穿问题日益突出。击穿过程中产生的等离子体, 会降低输出功率并导致脉冲缩短, 大大限制了RBWO的输出单脉冲能量。采用3维粒子模拟, 在反射器、慢波结构、提取腔局部区域产生等离子体, 建立了RBWO单点击穿及多点击穿模型, 获得了等离子体产生的区域和密度对微波输出性能的影响规律。模拟结果表明, 输出微波功率随等离子体密度增加而迅速降低, 多点击穿相对于单点击穿情况更容易引起输出微波脉冲提前终止, 且发射器击穿产生的等离子体效应更为明显。

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    核科学与工程

祖铁军   张 乾   吴宏春   曹良志  

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采用伪核素方法,建立了能够精确快速处理干涉效应的计算方法, 在分析广义等价理论特点的基础上, 提出了高保真的共振计算方法。该方法首先根据实际问题的几何, 建立238U的非均匀共振积分表, 基于此核素采用广义等价理论处理栅元间的互屏效应, 获得不同位置燃料棒的背景截面, 然后根据背景截面在非均匀截面表中插值建立不同燃料棒的等效栅元, 在此栅元的基础上根据实际问题中燃料棒内的温度分布和核素分布进行超细群计算, 从而获得燃料棒内不同位置共振核素高保真的有效共振截面。

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刘宇琦   庹先国   石 睿   李志刚  

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分层γ扫描(SGS)测量分析是一种无损检测技术, 是桶装核废物定性、定量分析的重要手段。实际分析过程中, 随着放射性核素所在的位置变化, 对应每层不同的位置HPGe探测器的探测效率也随之变化, 导致对样品不同位置需分别进行效率刻度。本工作用均匀聚乙烯样品填充废物桶, 采用SGS 装置的测量方法估计放射核素活度。将放射性点源置于桶内, 按距离桶的中心距离依均匀分布规律选取7个点, 分别对其进行效率刻度。并建立SGS 测量系统几何模型, 通过两种方法将1~7号位置的几何因子对探测效率计算结果进行加权平均,后给出每层的探测效率标准值, 此标准值可充分估计每层不同位置对核素的探测效率。结果表明: 在测量和计算误差存在的条件下, 可以快速准确估计出放射性废物桶内不同位置的核素放射性活度, 提高检测精度。

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蒋朱敏   赵文博   王金雨   孙 伟   汪量子  

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主要介绍了自主化中子时空动力学程序CORCA-K的相关研发进展。CORCA-K程序是中核集团自主研发的NESTOR软件包中的三维瞬态中子学计算软件。其核心功能是采用数值计算方法, 求解三维瞬态中子扩散方程。其空间离散采用第二类边界条件节块格林函数方法, 与三维稳态扩散计算程序CORCA-3D保持自洽性; 时间离散采用对角线隐式龙格库塔格式, 可在向后欧拉格式的基础上叠加实现, 且具备时步自适应功能。以三维LMW基准问题、三维LRA基准问题和秦山核电厂3号机组第5循环为计算对象, 开展了瞬态计算验证。结果表明, CORCA-K计算结果与参考程序符合较好, 且在保证计算精度的条件下, 具有更高的计算效率。

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严维鹏   李斌康   宋顾周   马继明   段宝军   韩长材   宋 岩   姚志明  

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在辐射成像系统测量辐射源边界中, 有闪烁体时间弥散效应得到的边界值与没有闪烁体时的真实边界值存在差别, 影响辐射源尺寸变化计算。研究构建了一类辐射源强时间宽度、半径扩散速率与边界相对强度不同的辐射源, 应用卷积和图像强度梯度法, 对选用BC408, LaBr3和LSO闪烁体得到的边界与真实边界的偏差进行了数值模拟计算。结果表明, 拍摄时间为20 ns时, 由BC408闪烁体得到的边界值偏差最小; 若偏差小于1 mm认为闪烁体适合测量, BC408, LaBr3和LSO测量的强度时间宽度最小值分别为33 ns, 133 ns和266 ns; 拍摄全积分图像时偏差大小不受闪烁体不同的影响; 最终得出的偏差计算公式较好地反映了真实偏差的变化趋势。

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    加速器技术

高明珠   陈 坤   常 超   刘纯亮  

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基于电磁波与时变介质相互作用能够实现电磁波频率上转换的原理, 通过粒子模拟(PIC)方法对电磁波与时变等离子体薄层相互作用进行模拟, 实现了频率由2.45 GHz提升至130 GHz, 功率转化效率约为0.39%。探究了等离子体参数(包括等离子体密度、有限的等离子体上升时间以及等离子体薄层厚度)对频率上转换的影响。模拟结果验证了等离子体密度决定上转换频率, 与理论结果相符。模拟结果表明, 等离子体薄层厚度越大, 得到的上转换波的能量越大; 等离子体的上升时间越小, 上转换波的转换效率和频谱纯度越高。采用等离子体密度2×1020 cm-3, 等离子体厚度1 cm, 等离子体上升时间0.04 ns 可以得到可观的130 GHz上转换波输出。

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庞 健   何小中   杨 柳   王 科   张 绚  

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提出了一种基于射频直线加速器的多脉冲X光照相系统, 有望用于材料动态性能诊断等流体物理动力学研究。基于射频加速器的特点, 该套照相系统能够产生时间跨度10 μs以上、数个脉冲间隔可调、脉宽为几十至一百ns的脉冲电子束, 产生电子束束斑半高宽尺寸小于1 mm。通过蒙特卡罗模拟程序Geant4, 分析计算了特定的几何布局以及不同厚度及电子束束斑条件下, 电子束打靶后在靶中的能量沉积, 靶中的电子束散射对X光焦斑的影响, 以及1 m处的照射量, 探讨了这套X光照相系统的应用可行性。结果表明, 在30 MeV,400 nC电子束轰击厚度为1 mm的靶条件下, 1 m处照射量约为9.1 R, 靶厚在1~2 mm范围内并未引起X光焦斑的明显增大。较小横向尺寸的电子束会引起靶体局部升温严重, 将会制约脉冲数量; 采用旋转靶能够提升脉冲数量, 通过分析二维旋转靶的应力, 分析了靶材升温以及钽/钽合金屈服强度对脉冲间隔的限制作用。

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陈励治   郝建奎   陈 术   倪志茂   郭 鑫   刘克新  

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大晶粒铌材由于声子峰效应在2 K温度具有良好的热导, 这有助于提高超导腔的热稳定性。对宁夏东方钽业股份有限公司(OTIC)生产的大晶粒铌材在不同热处理条件下的热导和晶格缺陷开展了研究, 结果表明经过超过800 ℃的热处理, OTIC的大晶粒铌材能够恢复声子峰, 这与之前DESY的测量结果不同。认为用其加工的超导腔有望具备较好热稳定性。

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代天立   张海燕   邵琢瑕   高 辉  

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电子加速器通过对电磁场精细调整使得电子束按理想轨道运行, 要求励磁电源电流精度高、稳定度高、纹波小、抗干扰能力强。介绍了合肥光源小功率直流磁铁电源系统结构和控制器系统及控制算法, 并进行了仿真和实验研究。实验测得, 在负载电感1 mH、等效串联电阻0.049 Ω, 输出电流25 A下电流纹波率2.12, 40 min电流稳定度6.6, 电流分辨率0.01‰。这表明: 所设计的主电路和控制器系统适用于小功率直流磁铁电源的实验研究。

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赵世琦   裴士伦   高 斌   肖欧正  

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Hybrid聚束器是一种同时包含驻波和行波电磁场的新型聚束器。为对其电场分布进行测量, 针对此种复杂电场分布的特点, 基于非谐振微扰原理, 研制了一套能够灵活简便操作、具有较高精度的场分布测量平台, 并使用该平台对Hybrid聚束器进行了场分布测量和调配。最终, 经过多次测量与调配, Hybrid聚束器的实际冷测微波性能与模拟计算结果符合较好, 轴向电场幅值平坦度显著提高, 各加速单元间的腔间相移明显改善, 使其满足设计要求。

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樊梦旭   刘华昌   李阿红   王 云   巩克云   吴小磊   瞿培华   李 波   陈 强  

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功率耦合器是中国散裂中子源(CSNS)漂移管直线段(DTL)的关键部件之一,其耦合系数通常通过调节耦合孔尺寸得到, 为了确保耦合系数达到设计值, 制造了一个冷模进行耦合度的调节。在冷模测量过程中, 发现了仅通过改变耦合孔尺寸耦合系数达不到目标值的问题, 因此提出了一种与测量结果对比有良好仿真精度的新模型用于分析, 并使用该仿真模型分析了PEFP使用的理论及影响耦合度的主要参数。最终耦合度被调节至目标值, 正式件的冷测结果也表明其与仿真结果基本相同。

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彭 卫   吴 兵   徐韬光   李武建   李 鹏  

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采用欠采样技术为中国散裂中子源(CSNS)直线加速器研制了全数字化束流相位测量电子学系统。介绍了该系统的测量原理、整体设计情况, 并进行了实验测试。测试采用324 MHz,100 mVpp的正弦信号,测试结果显示相位分辨率优于0.1°,通道间相位不一致性可控制在±0.2°以内,满足设计指标要求。

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孙列鹏   石爱民   张周礼   施龙波   徐显波   李晨星   王文斌   卢 亮  

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C-ADS注入器Ⅱ的RFQ射频系统是该强流加速器的关键一环, 它通过两台完全一样的耦合器为一台四边形四翼型RFQ提供和传送功率。该射频系统在设计之初就考虑为10 mA连续束流而进行特殊优化, 从功率源、耦合器和功率传输系统几个方面对其进行详细介绍, 尤其是针对CW模式下的系统稳定运行以及设备可靠性等方面进行的特殊考虑和模拟方法。该系统已经在2015年通过了10 mA连续束的测试, 证实了该射频系统的设计和调试符合物理的实验需求。特别阐述了该系统中一种新的碗型陶瓷窗耦合器的设计思路和一种无环形器情况下的特殊的耦合系数调谐方法, 同时推导了双端口耦合的计算方法的具体设置过程。

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    脉冲功率技术

蒋吉昊   李 逢   陈 林   王 勐  

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采用数值方法分析了阻抗各向同性、波速不变的变阻抗传输线(指数型、双曲型和线性型)的电压反射系数,得到了能量传输效率与归一化频率、阻抗变比之间的关系。结果表明,在低频条件下(归一化频率小于2),指数传输线的能量传输效率最高。计算了Z300装置变阻抗传输线的能量传输线效率,指数线为91.6%、双曲线为90.4%,圆锥线为91.2%。

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钟甜城   陈 林   郭 帆   邹文康   王 勐   谢卫平  

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为了设计与前端低阻抗同轴磁绝缘传输线耦合的大面积轫致辐射二极管,提出了一种利用锥形磁绝缘传输线(MITL)结合阴极开孔结构来对电子输运进行调节的二极管设计方案。该结构的主要特点是在不外加电子输运调控装置的前提下,利用大角度的入射电子产生轫致辐射,在靠近二极管出射窗附近形成大面积准均匀辐射区。采用二维粒子模拟与蒙特卡罗模拟(MCNP 4C)相结合的数值模拟方法对二极管进行了模拟和分析,对于如何构建更好反映角向均匀的MCNP源提出了新的想法。模拟结果表明,该设计方案可以实现在不外加电子输运调控装置的情况下,在二极管后端得到均匀大面积轫致辐射区。

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韩乾翰   郭 颖   申亚军   王晓东   石建军  

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通过实验研究了脉冲放电射流辅助下大气压氦气射频辉光放电的电学和光学特性。采用组合电极结构, 在射频放电前段增加脉冲电极, 脉冲放电产生的射流以等离子体子弹形式注入射频放电区域, 主要研究脉冲射流辅助射频放电的电流电压曲线、最低放电维持电压、放电强度和空间结构时空分布。研究结果表明: 等离子体子弹经过射频放电区域后, 由于等离子体子弹引入的活性粒子, 会使射频放电区域等离子体强度增强; 而射频放电最低维持电压也从0.93 kV降低至0.43 kV。

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李 波   李博婷   黄 斌   张 信   李玺钦   赵 娟  

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对540 mm×18 mm、极间距250 mm、充气压力26 kPa的脉冲氙灯进行分析计算,研制了一台具有手动和外触发功能、氙灯充电电压2.5～4.5 kV、输出脉冲电流幅度3～6 kA、脉冲宽度约230 μs的脉冲氙灯电源,给出了单次触发情况下的实验结果。设计基于晶闸管移相调压方式,经由隔离模块、PLC控制构成的闭环反馈回路,控制调压模块对储能电容器线性充电; 通过IGBT半导体开关器件产生脉冲信号,经脉冲变压器升压后触发氙灯,使氙灯导通发光。采用简单、可靠的绕丝触发方式和控制信号隔离、电容器一端接地等方法,有效抑制了地电位抬高,提高了氙灯电源的可靠性和抗干扰能力。通过百次的实验,脉冲氙灯电源能100%点亮负载氙灯,满足实际使用要求。

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杨 实   任书庆   丛培天   来定国   张玉英  

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为了满足“闪光二号”加速器材料热力学效应研究的新需求, 设计了一套电容器储能型脉冲强磁场装置。装置主要由储能电容器、半导体放电开关、磁场线圈及高压恒流充电源组成。磁场线圈中心处最大磁感应强度可达5 T, 并且可以通过调整磁场线圈与二极管的相对位置实现磁透镜比的调节。通过理论计算和数值模拟相结合的方法对脉冲强磁场的关键参数进行了分析, 然后进行了脉冲强磁场的工程设计, 最后使用该强磁场装置进行了实验研究。强磁场实验中, 当储能电容器充电21 kV时, 在磁场线圈中心处获得了5.3 T脉冲强磁场。

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王 毅   李 勤   代志勇  

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加速器靶前正前方1 m处的照射量是衡量加速器光源辐射能力的重要物理参量。电子束轰击高原子序数靶产生的X射线空间分布具有很强的前冲性, 照射量空间分布与电子束的发射度密切相关。采用高斯函数对不同电子束发射度条件下入射电子的空间分布和角度分布进行建模。应用蒙特卡罗方法对电子束打靶的轫致辐射过程进行模拟, 分析电子束发射度对照射量的影响。同时还对整靶结构和叠靶结构下的轫致辐射光源照射量进行计算比较。结果表明, 电子束的发散角是影响轫致辐射光源照射量的主要因素。与采用整靶结构相比, 采用叠靶结构所获得的照射量空间分布基本一致, 在正前方小角度范围内(0~4°)的照射量有2%~3%的降低。

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张艳华   李 林   张登成   梁 华  

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为了研究等离子体环量控制对翼型的影响特性, 采用基于唯象学的等离子体气动激励数学模型和二维雷诺平均N-S方程, 选取NCCR 1510-7067N环量控制翼型, 数值模拟后缘半径对升力和效费比的影响规律, 并进行优化。设计最佳后缘半径模型进行低速风洞实验, 获得迎角-4°~12°, 速度6, 10, 15 m/s下的压力分布和升力特性。研究表明: 后缘半径过大或过小都不利于Coanda效应的产生, 确定最佳后缘半径与弦长的比值为0048, 效费比97.69。低雷诺数下, 随着迎角的增加, 出现了层流长泡分离和短泡分离, 等离子体射流不仅改善了尾部流场, 还通过环量增加抑制层流分离, 提高了升力。

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张瑞强   刘少军   胡 琼  

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为了克服采用传统机械方法开采海底富钴结壳时破碎头易磨损、效率低以及贫化率高等缺点, 通过试验方法研究了一种利用脉冲功率技术开采海底富钴结壳的新技术。采用12级全固态Marx电路和半导体开关IGBT研制了高压脉冲电源, 该电源可产生负高压方波脉冲, 其上升沿上升时间约100 ns, 最高幅值可达40 kV, 脉宽可调。破碎方式采用针针电极并与岩石同侧表面紧密接触。为了使两电极与岩石同侧表面接触的部位电势尽可能高, 采用不锈钢针作为正、负电极, 且电极间距可调。研究发现当电极间距约为3 mm时, 该电源产生的幅值约32.5 kV的高压脉冲可在高压油中的砂岩内部形成等离子通道并破碎砂岩。放电既可发生在高压脉冲上升沿阶段, 也可发生在上升沿上升时间之后。从放电过程中的电压电流波形来看, 等离子通道回路中有电流时其两端存在明显的压降, 因此等离子通道具有阻性, 而且阻值在放电过程中是变化的。

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杨志刚   傅 鹏   黄懿赟   江加福   刘晓艳   赵 璐  

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介绍了国际热核聚变堆(ITER)装置的脉冲功率变电站(PPEN)一次系统的设计,包括主变压器、400 kV/66 kV/22 kV这3个电压等级的断路器、隔离开关、互感器、避雷器、母线等的技术要求和选型设计。然后对PPEN系统进行了仿真分析,结果证明PPEN一次系统满足ITER运行的要求。最后对PPEN中方采购包的进展和后续工作进行了简要介绍。

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赵 璐   潘圣民   黄懿赟   杨志刚  

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介绍了EAST(全超导托卡马克核聚变实验装置)中性束注入高压电源的综合保护方案。从主回路保护、电源模块保护和现场安全监测三个方面介绍了其基本原理, 详细阐述了现场安全监测器的硬件与软件实现方法, 并利用LabVIEW实现了上位机监控软件的开发。该系统对于频繁打火、安全风险很高的EAST-NBI高压电源提供了有效的安全保障, 对于EAST实验中人员和设备的安全具有重要意义。

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    研究快报

吴秋宇   林长星   陆 彬   缪 丽   邓贤进   周浏阳   陈洪斌   蒋 艺   姚 军   张 健  

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设计了工作在太赫兹频段的无线通信系统, 基带部分采用16QAM调制体制, 射频部分采用混频器实现两级上下变频, 功放部分采用“固态功率放大+电真空器件放大”级联的功率放大技术, 实现了0.14 THz频段W量级的功率输出。接收端采用全固态常温接收技术, 接收机等效噪声温度为1100 K, 接收灵敏度达到-57 dBm。采用两个增益50 dBi的卡塞格伦天线, 在成都市双流区与新津县之间开展了距离21 km的无线通信试验, 单路实时通信速率达到5 Gbps, 误码率低于10-6。并成功同时实时传输了两路符合HD-SDI标准的无压缩高清视频数据流, 每一路的标准有效速率达到1.485 Gbps。

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