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基于超快激光调制的纳秒脉冲X射线发射源

物理学报 2024年第4期73卷 98-104页

作者：李昀苏桐盛立志张蕊利刘舵刘永安强鹏飞杨向辉许泽方中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室西安710119 中国科学院大学光电学院北京100049 邯郸学院数理学院邯郸056005

面向基础科学与空间应用研究领域对小型化超快脉冲X射线发射源的需求,设计并研制了基于激光调制光源与光电阴极X射线管的超快脉冲X射线发生器,解决了传统X射线调制发射装置重复频率低、时间稳定性差、脉冲特性差等应用难题.本文主要开... 详细信息

面向基础科学与空间应用研究领域对小型化超快脉冲X射线发射源的需求,设计并研制了基于激光调制光源与光电阴极X射线管的超快脉冲X射线发生器,解决了传统X射线调制发射装置重复频率低、时间稳定性差、脉冲特性差等应用难题.本文主要开展了脉冲X射线发生器的超快调制控制模块研究,并利用基于预调制的激光控制光源实现了高时间精度、高时间稳定度的超快时变光子信号以及纳秒脉冲X射线产生.理论方面,建立了脉冲X射线发生器时间响应模型,分析了出射脉冲X射线的时域时间特性.实验方面,搭建了基于超快闪烁体探测器的脉冲X射线时间特性实验测试系统,测试了激光控制光源及脉冲X射线发射源的时间特性参数.实验结果表明脉冲X射线发生器可同时实现高重频(12.5 MHz)、超快脉冲(4 ns)、高时间稳定度(400 ps)特性,且与所建立的理论模型高度符合.相比于传统X射线调制方案,脉冲时间参数指标得到了大幅提升、应用场景获得了极大拓展,本项研究有望为实现超高时间稳定性、超快脉冲X射线发射源提供新思路.

关键词：脉冲X射线发生器光电阴极X射线管激光控制光源超快闪烁体探测器

水平管内超临界R1234ze(E)冷却传热性能的神经网络预测

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物理学报 2024年第12期73卷 96-107页

作者：周文力卓伟伟蒋依然马文杰董宝君成都国营锦江机器厂科研部成都610000 成都理工大学能源学院成都610000

为探究神经网络在预测:超临界传热方面的有效性,建立了水平直管内超临界R1234ze(E)冷却传热的神经网络预测模型,并与修正的Dittus-Boelter(D-B)型传热关联式进行比较分析.研究表明,输入参数对于反向传播神经网络(BPNN)预测精度的影响很... 详细信息

为探究神经网络在预测:超临界传热方面的有效性,建立了水平直管内超临界R1234ze(E)冷却传热的神经网络预测模型,并与修正的Dittus-Boelter(D-B)型传热关联式进行比较分析.研究表明,输入参数对于反向传播神经网络(BPNN)预测精度的影响很大,且并非所有BPNN输入参数组合都能带来比传热关联式更好的预测结果.输入参数组合Re_(b),Pr_(b),ρ_(b)/ρ_(w),C_(p)/C_(pw),λ_(b)/λ_(w),μ_(b)//μ_(w)的预测表现最好,对于试验集的预测结果的平均绝对偏差和最大偏差仅为2.02%和9.34%,远低于传热关联式预测偏差,且对于高温段h的趋势、h最大值以及h峰值位置的预测比关联式更加准确.此外,将遗传算法优化的BP(GA-BP)模型与BP模型在两种不同的适应度值计算方式下进行比较,揭示GA-BP在提高超临界传热预测精度方面的有效性.研究表明,当网络训练与适应度值计算采用相同数据时,将引起过拟合,并不能进一步提高预测精度;当网络训练与适应度值计算采用不同数据时,可使得网络泛化性能提高,预测结果的均方根偏差和最大偏差均有进一步的降低.

关键词： R1234ze(E) 超临界传热传热预测神经网络

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用于扫描隧道显微镜的低噪声前置电流放大器

物理学报 2024年第13期73卷 20-27页

作者：唐海涛米壮王文宇唐向前叶霞单欣岩陆兴华中国科学院物理研究所应用物理中心北京10019 中国科学院大学物理学院北京100190

前置电流放大器是扫描隧道显微镜的重要部件之一,其性能对于扫描隧道显微镜系统的基本操作及新功能开发至关重要.本文详细分析了影响前置电流放大器性能的因素,通过筛选噪声极低的运放芯片和电路结构优化,设计了一款针对扫描隧道显微镜... 详细信息

前置电流放大器是扫描隧道显微镜的重要部件之一,其性能对于扫描隧道显微镜系统的基本操作及新功能开发至关重要.本文详细分析了影响前置电流放大器性能的因素,通过筛选噪声极低的运放芯片和电路结构优化,设计了一款针对扫描隧道显微镜系统的前置电流放大器.该放大器最灵敏档位(1 GΩ)的噪声低至4 fA/(Hz)1/2,带宽为2.3 kHz,具有10 MΩ,100 MΩ和1 GΩ三个测量量程并且可以通过控制信号实现自动切换,测量范围覆盖pA—μA量级的隧穿电流.利用该前置电流放大器展示了扫描隧道显微镜系统的主要功能,包括表面形貌表征、扫描隧道谱测量以及原子搬运,并探索了隧穿电流中散粒噪声的测量.通过散粒噪声随隧穿电流的变化关系,得到隧穿结中散粒噪声的法诺因子约等于1,验证了简单金属隧穿结中电子隧穿满足泊松过程,为表面电子关联体系的高精度表征提供了基础.

关键词：扫描隧道显微镜前置电流放大器散粒噪声

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基于统一流体模型的微放电数值仿真研究

物理学报 2024年第12期73卷 235-259页

作者：王震赵志航付洋洋清华大学电机工程与应用电子技术系北京100084

数值仿真技术已发展成为气体放电领域的重要研究手段,常用于研究揭示某一具体放电形式的微观物理过程.本文介绍了气体放电的统一流体模型,包括粒子的连续性方程、能量守恒方程及泊松(Poisson)方程,考虑阴极电子发射(二次电子、热电子发... 详细信息

数值仿真技术已发展成为气体放电领域的重要研究手段,常用于研究揭示某一具体放电形式的微观物理过程.本文介绍了气体放电的统一流体模型,包括粒子的连续性方程、能量守恒方程及泊松(Poisson)方程,考虑阴极电子发射(二次电子、热电子发射)、反应倍变与气体加热、阴极热传导等基本过程,可模拟得到包含盖革-米勒(Geiger-Müller)放电、汤森(Townsend)放电、辉光放电、电弧放电等各区域的完整伏安特性曲线.基于该模型,仿真得到的气体放电伏安特性曲线与已有文献结果一致,验证了该模型的正确性.在此基础上,对间距为400μm、气压分别为50和500 Torr(1 Torr≈133.322 Pa)的放电过程进行了具体研究,对比分析了不同气压条件下放电典型参量的分布特性.该模型实现了广域参数范围条件下的气体放电数值仿真,拓展了气体放电流体模型的应用范围,促进了对放电参数特性的系统性分析.

关键词：气体放电统一流体模型伏安特性汤森放电辉光放电电弧放电

Mg-3Sm-0.5Zn-0.4Zr合金的高温蠕变机制和组织演变

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中国科学：技术科学 2024年第6期54卷 1079-1090页

作者：夏利红郑江王渠东重庆工商大学智能装备绿色设计与制造重庆市重点实验室重庆400067 重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心重庆400044 上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心上海200240

提升镁合金的高温抗蠕变性能是其能够在汽车动力系统得到广泛应用的关键.对耐热镁合金蠕变变形机制和组织演变缺乏系统研究,是限制其发展的重要因素.本文以低稀土镁合金(Mg-3Sm-0.5Zn-0.4Zr合金)为研究对象,将蠕变应力指数计算、滑移迹... 详细信息

提升镁合金的高温抗蠕变性能是其能够在汽车动力系统得到广泛应用的关键.对耐热镁合金蠕变变形机制和组织演变缺乏系统研究,是限制其发展的重要因素.本文以低稀土镁合金(Mg-3Sm-0.5Zn-0.4Zr合金)为研究对象,将蠕变应力指数计算、滑移迹线和析出相观察相结合,系统分析了重力铸造和高压铸造Mg-3Sm-0.5Zn-0.4Zr合金在200℃~250℃/60~100 MPa条件下的变形模式和组织演变.主要结果为:重力铸造和高压铸造Mg-3Sm-0.5Zn-0.4Zr合金在200℃/60 MPa条件下稳态蠕变速率分别为1.4×10^(-9)s^(-1)和1.1×10^(-9)s^(-1),表明其具有优异的抗蠕变性能.200°C~250℃/60 MPa条件下,高压铸造合金具有比重力铸造合金更低的稳态蠕变速率.在200℃60~100 MPa条件下,两种合金的主要变形机制均为基面滑移.在225℃条件下,当σ≤80 MPa,基面滑移仍然是两种合金的主要变形模式;当σ>80 MPa,两种合金的变形模式为基面滑移、非基面滑移和孪生.在250℃/60~70 MPa条件下,基面滑移和非基面滑移是两种合金的主要变形模式.此外,重力铸造和高压铸造合金在蠕变过程中均会发生动态析出,形成大量与基面垂直的析出相.与重力铸造合金相比,高压铸造合金具有更多细小的析出相,可有效阻碍位错滑移,这是其具有优异抗蠕变性能的重要因素.

关键词：镁合金高压铸造蠕变模式组织演变动态析出

非平衡等离子体流场相干反斯托克斯拉曼散射光谱计算及振转温度测量

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物理学报 2024年第15期73卷 80-89页

作者：杨文斌张华磊齐新华车庆丰周江宁白冰陈爽母金河中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所绵阳621000 空军航空大学长春130012 哈尔滨工程大学物理与光电学院哈尔滨150001

高温非平衡问题是高超声速流动中最基本的科学问题之一,而热力学非平衡特性的准确表征是理解高温非平衡问题和高超声速空气动力学的基础,如何准确可靠地表征流场的热力学非平衡特性是解决高超声速飞行器在稀薄流域高温非平衡问题的关键... 详细信息

高温非平衡问题是高超声速流动中最基本的科学问题之一,而热力学非平衡特性的准确表征是理解高温非平衡问题和高超声速空气动力学的基础,如何准确可靠地表征流场的热力学非平衡特性是解决高超声速飞行器在稀薄流域高温非平衡问题的关键.本文基于相干反斯托克斯拉曼散射基本原理,开发了面向非平衡流场的振转温度反演算法,并在宽温度范围静态环境开展验证.搭建了非平衡等离子体流场相干反斯托克斯拉曼散射测温实验平台并开展实验验证,结果表明微波等离子体处于热力学非平衡状态,并且振动温度和转动温度与微波功率成正比,而热力学非平衡度与微波功率成反比,当微波功率从80W增加至180 W时,等离子体电子数密度增加,中性粒子通过与电子碰撞获得能量使振动温度从(2201±43)K增加至(2452±56)K、转动温度从(382±20)K增加至(535±49)K;而处于振动激发态的分子通过振动-平动弛豫过程(对于N2分子弛豫速率与温度成正比)将部分振动能转化为平动能,导致振动温度与转动温度的差异降低,等离子体热力学非平衡度从0.83降低至0.78.

关键词：热力学非平衡振动温度转动温度相干反斯托克斯拉曼散射

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电致伸缩效应下水中电子输运特性

物理学报 2024年第11期73卷 201-209页

作者：李元李春鹏李林波袁磊王亚桢石亚轩张冠军西安交通大学电气工程学院西安710049

水中快脉冲(脉宽数ns甚至ps级)放电过程中,快脉冲在电极附近引起电致伸缩效应导致电极附近形成空化区.电子在空化区内积累能量并高速进入水体,电子在水中的输运特性是水中脉冲放电起始与发展的关键因素.本文构建了考虑弹性与非弹性碰撞... 详细信息

水中快脉冲(脉宽数ns甚至ps级)放电过程中,快脉冲在电极附近引起电致伸缩效应导致电极附近形成空化区.电子在空化区内积累能量并高速进入水体,电子在水中的输运特性是水中脉冲放电起始与发展的关键因素.本文构建了考虑弹性与非弹性碰撞截面的水中电子输运物理模型,采用蒙特卡罗方法研究不同能量电子的透射与散射径迹结构特征,研究了弹性碰撞、电离与激发碰撞频次随电子初始能量的变化以及水中电子能量损失特征.结果表明,较低能量的电子(约20 eV)受水分子散射影响能量损失较大,透射能力较弱,随着电子初始能量的增高,电子受水分子散射作用的影响逐渐减小,具有更强的液体穿透能力;弹性碰撞次数远大于激发与电离碰撞,导致电子散射距离与透射深度相当,电离碰撞和激发碰撞次数随电子能量升高显著增加;电子入射能量越高,其能损越大,随运动距离增加,能损急剧下降,与电子的平均电离能量损失W变化趋势一致.本研究可为探究快脉冲放电机理提供重要数据基础.

关键词：电致伸缩水中电子输运透射与散射碰撞模式

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基于空间分辨法分析时间低相干光自聚焦效应

物理学报 2024年第9期73卷 36-45页

作者：单翀孔令豹崔勇季来林赵晓晖李福建饶大幸赵元安隋展邵建达复旦大学信息科学与工程学院超精密光学制造工程技术研究中心上海201203 中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所上海201800 中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室上海201800

时间低相干光由于其瞬时宽带的物理特性,在激光惯性约束聚变中得到了广泛的关注.然而其复杂的时间尖峰结构或将诱导非线性自聚焦效应的放大.同时,传统的非线性自聚焦特征数值的测试方法中,多数材料的表面损伤先于体内自聚焦成丝损伤发生... 详细信息

时间低相干光由于其瞬时宽带的物理特性,在激光惯性约束聚变中得到了广泛的关注.然而其复杂的时间尖峰结构或将诱导非线性自聚焦效应的放大.同时,传统的非线性自聚焦特征数值的测试方法中,多数材料的表面损伤先于体内自聚焦成丝损伤发生,这为对比不同激光的非线性效应带来巨大影响.本文利用短焦距透镜对熔石英进行紧聚焦,通过调节入射激光能量,在避免前表面损伤的前提下,诱导熔石英产生自聚焦成丝损伤.随后通过理论计算对光束在样品体内传输过程的光斑变化进行空间分辨处理,并得到对应细分位置的非线性数值.最终将各个位置对应的非线性相位变化值进行积分,得到前表面无损条件下材料的非线性自聚焦特征数值.测试结果表明时间低相干光的非线性自聚焦效应比传统单模脉冲激光更强.本文不仅设计了一套更加精确的对比不同激光非线性效应的测试方法,同时也探明了时间相干性对于非线性自聚焦效应的影响机制,为高功率时间低相干激光器的设计提供理论依据和参考.

关键词：惯性约束核聚变时间低相干光非线性自聚焦特征数值空间分辨法

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浅海粗糙海底声散射建模及声场特性

物理学报 2024年第3期73卷 126-133页

作者：汪磊黄益旺郭霖任超哈尔滨工程大学水声技术全国重点实验室哈尔滨150001 海洋信息获取与安全工信部重点实验室(哈尔滨工程大学) 工业和信息化部哈尔滨150001 哈尔滨工程大学水声工程学院哈尔滨150001 中国科学院声学研究所东海研究站上海201815

声散射是海洋声学的重要内容,海底表面的不平整性形成的声散射是海洋中引起声传播起伏的原因之一.针对海底表面粗糙度声散射问题,建立了水平分层浅海波导中海底散射声场模型.该模型将简正波理论与Lambert定律相结合.基于该模型获得了散... 详细信息

声散射是海洋声学的重要内容,海底表面的不平整性形成的声散射是海洋中引起声传播起伏的原因之一.针对海底表面粗糙度声散射问题,建立了水平分层浅海波导中海底散射声场模型.该模型将简正波理论与Lambert定律相结合.基于该模型获得了散射声场声压的振幅与相位的统计分布,并数值模拟了海底散射声场的强度及其空间相关系数,实现了粗糙界面条件下海底散射声场预报,揭示了散射声场空间特性随海底粗糙度的变化规律.结果表明,使用Lambert定律描述粗糙界面声散射时,在海底粗糙度小于波长情况下,随着空间距离的增大,空间两个不同位置的散射声场的空间相关系数具有周期性振荡衰减的变化规律,并且在垂直方向上,振荡周期更大,衰减更慢.当粗糙度增大时,水平和垂直相关系数振荡幅度逐渐增大,水平相关系数振荡周期数逐渐减少,在接收点逐渐靠近海底时,垂直相关系数不再发生衰减,这是海底声散射减弱的结果.本文模型理论亦可推广到粗糙海面的声散射建模中.对于非水平海底情况,采用耦合简正波或绝热简正波理论进行声传播建模,可以得到距离有关波导中粗糙界面的散射声场.

关键词：海底声散射简正波 Lambert定律空间相关