超高功率超短脉冲发展的现状及相关科学问题

超高功率超短脉冲激光系统在其聚焦焦点附近可以实现高达1022-24 W/cm2的峰值功率输出,为强场物理实验研究,以及实验室内模拟极端环境下的天体物理条件提供了直接的实现方案.自从国际上首次提出了建造EW激光的概念,即输出总功率达到1018 W的大型激光系统后,国际上很多国家都在设计和建造大规模的超高功率超短脉冲激光系统.本文简要介绍了国际上这种规模激光系统的发展状况,并结合国内超高功率高能超短脉冲激光的发展,对超高功率超短脉冲激光系统发展中相关技术问题进行阐述.     

高功率型镍氢电池的循环性能

由于没有镉污染,对环境友好,用于高功率设备的镍氢电池的需求量增长很快,目前每年的需求量约为5亿只.但是镍氢电池的一些性能还不能完全满足电动工具的使用要求,突出表现在电池大电流充放循环寿命较差.因此,研制高性能的高倍率镍氢电池不仅具有重要的研究意义,也有很大的应用价值.本文研究影响SC型动力电池循环寿命衰减的主要因素,测量了在大电流循环过程中镍氢电池的内阻、温度及重量变化,并运用SEM、XRD对电池内阻升高的原因进行了分析.我们认为电池内阻升高是镍氢电池大电流循环寿命差的主要原因,分析发现在镍氢电池进行大电流充放电循环时,电池正极膨胀,负极微粉化,电池内部孔隙率增加,致使电解液干涸,电池内阻升高.通过增加负极容量,抑制正极膨胀,可以有效改进镍氢电池大电流充放时的循环性能.     

CPML截断2.5维问题中圆柱波导开放边界的应用

为了解决高功率微波(HPM)源模拟中圆柱波导开放边界的截断问题，研究了柱坐标系下卷积完全匹配层(CPML)吸收边界，给出了CPML中电磁场的差分方程和轴边界条件，并进行了数值验证．在不同频率和模式的激励源作用下，模拟了2．5维问题中CPML截断圆柱波导开放边界的性能，相对误差最大值都小于-90dB在2．5维电磁PIC软件中引入CPML方法，模拟计算了相对论返波管．结果表明，CPML在截断波导开放边界方面的性能远好于Mur型吸收边界条件。     

离子通道特性研究

简述了在等离子体加载高功率微波器件中的离子通道的研究背景及物理机制，利用电磁场理论导出了离子通道的聚束条件和通道半径的表达式，并对各区域的相对介电常数作了分析。     

高功率脉冲微波辐照大鼠体内场强的数值模拟

文章在建立大鼠电磁模型的基础上,用时域有限差分法(FDTD)分别计算了2.71 GHz和9.33 GHz高功率脉冲微波(HPPM)辐照大鼠时,大鼠体内,尤其是心脏、肝脏、大脑等器官的电场强度分布.结果显示,2.71 GHz的HPPM腹部和侧部方向辐照时,大鼠各器官的场强从大到小依次为心脏、大脑、肝脏;9.33 GHz HPPM辐照时,场强从大到小依次为大脑、肝脏、心脏.并且相同功率密度的2.71 GHz的HPPM入射到大鼠体内的平均场强约为9.33 GHz HPPM的4倍.结果表明,脉冲微波入射到大鼠体内各器官的场强分布存在一定差异,并与微波的频率以及微波入射方向密切相关.因此,研究HPPM生物效应时,需深入分析生物体内部的场强分布,才能科学合理地表示产生生物效应的电磁辐射剂量,得到较正确的高功率脉冲微波生物效应的量效关系.     

高功率微波弹对GNSS接收机毁伤效果分析

针对高功率微波（high-power microwave,HPM）武器易对全球卫星导航系统（global navigation satellite system,GNSS）接收机造成毁伤的问题,以高功率微波弹为对象,分析了不同弹体起爆姿态下的攻击范围与效果。在电磁仿真软件CST-MWS（CST microwave studio）中建立GNSS接收机辐照模型,设计了圆极化贴片天线为接收载体,以单脉冲正弦信号调制的平面波模拟高功率微波弹起爆后的辐射场效应。在电磁能量前门耦合的基础上,基于场—路联合仿真方法给出了一种仿真模型,将天线端口感应电压注入电路仿真软件ADS中设计的PIN限幅器,完整模拟了HPM由场到路的耦合过程。仿真给出了以微波源峰值功率为变量的敏感器件毁伤评价曲线,结果表明,GNSS接收机射频前端电路中的低噪声放大器是HPM武器的主要攻击对象,以ERA-2+型低噪放为例,脉冲峰值功率在27~310 kV的微波源均可造成其晶体管烧毁。同时,HPM也容易引发限幅器在一定功率范围内产生尖峰泄漏现象,其尖峰泄露对电路可能产生的损伤值得重视。研究结论可为下一步开展卫星导航接收机针对性电磁防护设计提供依据与技术指标。     

具有超宽防护带的低剖面能量选择表面

文章提出了一种具有超宽防护带和低剖面的能量选择表面（Energy selective surface,ESS）。利用PIN二极管的开关特性来实现其自适应状态转换功能。当入射波功率较低时,二极管截止,该ESS表现为带通频率选择表面（Frequency selective surface,FSS）,允许入射波通过;当高功率微波（High-power microwave,HPM）入射时,PIN二极管导通,ESS可将HPM反射从而实现超宽带防护。利用全波仿真对该ESS的结构进行了优化,仿真结果显示,当入射波功率较低时,其通带的-3 dB带宽为640 MHz,在中心频率4.36 GHz处的插入损耗为0.01 dB。当HPM入射时,其防护带相对带宽达到200%,实现了超宽带防护。此外,该ESS还具有良好的入射角度稳定性和极化不敏感性。     

高功率微波激励下p-n结器件响应

通过采用时域有限差分方法 (FDTD)和混合算法处理半导体器件所满足的刚性、耦合、非线性偏微分方程组 ,建立PN结半导体器件在高功率微波 (HightPowerMicrowave)激励下瞬态响应的一维模型 ,并在此基础上进行二极管功率耗散情况的分析和对微波信号响应截止频率的计算 ,从而对PN结半导体在高功率微波激励下的损伤机理进行研究 .计算表明 ,二极管功率耗散主要集中在源电压正半周峰值附近 ,器件的热击穿应发生在信号的正半周期内 ,10GHz应可视为该二极管对微波信号响应的截止频率     

高功率短脉冲激光照射下生物组织内的热传导研究

采用响应时间为1μs的超小型薄膜铂热电阻温度计及日本YOKOGAWA DL2700高速数字示波器，对微秒量级脉冲激光照射下离体动物组织内的热传导进行了实验研究，结果发现：在激光脉宽较短时，组织内出现了非傅时叶导热现象，脉宽越短，组织厚度越薄，非傅时叶导热特征越明显，功率密度和光斑直径只影响温度上升的高低，对是否会出现非傅里叶导热没有影响。