激光引信中半导体激光器的准直及其测试

在理论上分析了单级单透镜光学系统对激光高斯光束发散角的影响。用单个平凸透镜对激光引信中的半导体激光器进行了准直，达到了激光引信光束准直的要求。通过CCD成像方法对准直后的光束发散角进行了测量，利用二阶矩算法计算出光束发散角。实验测得2个方向的发散角分别为θx=7.03°和θy=0.69°，验证了准直系统达到激光引信要求的θx＜10°和θy＜1°技术指标。     

（n,2n）反应实验研究中的中子准直器设计

用3He球形4中子探测器，通过直接反应法可以对核素的（n,2n）反应截面进行测量。在此类实验中，要求对中子束进行很好的准直。好的准直器设计要求能够提高样品处的中子注量率的均匀性，同时保证中子束流边缘处的下降幅度，能够降低低能中子所占份额。本工作采用FLUKA和MCNPX对圆柱形准直器、单锥形准直器及三种不同斜率的双锥形准直器对中子注量率的均匀性和低能中子所占份额进行了对比研究，结果表明，低斜率的双锥形准直器可以满足实验对这两方面的要求。同时，在有样品和无样品两种条件下，对探测系统经由这五种不同准直器准直后的中子束流的响应做了对比，结果显示，经过低斜率的双锥形准直器准直的中子束流，探测系统在有样品时表现为较高的计数率，在无样品时表现为较低的本底。除此之外，对准直器出口处的斜率对准直效果的影响也做了比较。最终中子准直器选用为这种低斜率的双锥形准直器，材料选用为紫铜、不锈钢、聚乙烯和铅。准直孔开口处直径为2.64 cm，长度为137 cm，经准直后样品处的中子束斑直径为3.2 cm。     

用于闪光照相的准直器设计及性能

为了实现高度准直同时较好地保留飞层界面信息,针对高能闪光照相实验中常用的准直技术,改进了设计方法,以法国实验客体(FTO)为例,利用蒙特卡罗程序对光子电子耦合输运过程进行数值模拟实验,验证了所提出的准直器的性能,对采用该准直器技术下的模拟照相结果进行了准直器光程扣除方法研究,结果表明:改进的准直器将客体芯部区域的散射照射量降低99.8%,接收平面处的客体信号动态范围降低99.7%,同时在图像中完整地保留了客体外界面信息;对准直器轴向分层照相的方法可以获得误差小于0.1的客体光程。     

考虑磁透镜边缘场的质子成像系统优化设计

高能质子照相系统由四极磁透镜和准直器组成,实际透镜的边缘场将影响成像系统的性能.本文将含边缘场的磁场梯度用贝尔函数近似,提出了一种含边缘场的成像系统优化方法.通过Geant 4程序模拟了能量为1.6 GeV的质子成像系统,并通过优化方法给出了考虑边缘场的优化后的系统参数.研究了考虑边缘场时的成像系统参数对准直器孔径的影响.通过对比理想成像系统和优化前后的成像系统在使用准直器时的客体通量分布,研究了边缘场对质子通过客体的通量影响.结果表明,优化后的成像系统可以减小质子通过客体后的通量误差,并且积分差值在10^–2量级时,准直器的孔径参数变化亦在10^–2量级.     

中国散裂中子源快循环同步加速器主准直器的设计与研究

为满足强流加速器对准直器高散热性能、高抗辐射性能、超高真空、高定位精度、高稳定性和在线实时调整等特殊要求,在CSNS/RCS主准直器设计时针对结构方案和控制方案进行了详细设计和研究,针对关键部件:刮束器、真空盒、驱动装置和远程快速拆卸装置等设计难点进行了阐述,在设计中使用ANSYS完成了刮束器的热分析及支架强度和变形校核,用FLUKA程序对辐射屏蔽进行了分析和设计,确保主准直器设计的可靠性。     

具有离焦量的光学准直系统

本文针对激光束准直系统中的离焦量对准直倍率的影响进行详细的讨论，给出了准直系统的最佳设计公式，同时提出一种新的准直光源系统的设计构想。     

神光-Ⅲ 3ω光路自动准直系统设计

基于闭环反馈控制理论，对神光-Ⅲ 3ω光源自动准直系统进行设计，分析系统的工作原理、控制算法和软件控制流程。对准直过程中电动控制对于控制结果影响的变化规律建立了数学模型，旨在克服俯仰和方位相互联动对准直精度的影响。采用二维镜架自动准直方案，使准直偏差在预定调整范围内不断收敛。神光-Ⅲ调试现场的准直结果证明：该自动准直系统达到了设计要求，即自动准直系统在半小时内完成8路光束的光束准直，其角度误差≤5.0%/空间滤波器小孔直径,平移误差≤1.0%(光束近场直径精度)。     

大型矩形准直镜柔性支撑系统的多目标优化设计和稳定性分析

针对极大望远镜矩形准直镜设计了一种新型柔性支撑系统,即由6根空心圆柱杆为支撑主体的侧面支撑结构。利用多目标优化算法对柔性支撑系统的结构参数和位置参数进行优化设计,并对优化后的柔性支撑系统进行稳定性研究。优化后的准直镜柔性支撑系统在自重条件下镜面最大PV值为168.23 nm,RMS值为30.306 nm,质量为229.21 kg,满足设计要求。当环境温度变化范围在20 ℃～23.7 ℃内,不会对准直镜性能产生影响;此外,地面随机振动不会影响准直镜工作性能和破坏支撑结构。研究结果表明:准直镜柔性支撑机构的多目标优化设计全面考虑了准直镜柔性机构形状参数、机构安全可靠性和光学面形形变等多学科之间耦合问题,设计者可按需选择全局范围内最满意的最优解,这将大幅度降低开发成本和周期。     

大尺寸矩形准直镜轻量化结构多学科优化设计

在极大望远镜宽视场光谱仪准直镜结构轻量化研究中，实施多学科多目标优化的可行性设计。通过多目标遗传算法结合多学科协同对准直镜轻量化结构进行优化设计，即以镜面形状要素为优化参数、镜面面型和质量为目标，并借助遗传算法为优化算法获取Pareto最优解。对比研究了不同轻量化孔轻量化后综合性能和轻量化后准直镜的热稳定性，三角型轻量化后准直镜轻量化率为70%，PV值为82.696 nm; 矩形轻量化孔准直镜轻量化率为75.3%，PV值约为107.03 nm; 准直镜环境温度变化为10 K时，准直镜形变约增加一倍。研究结果表明:三角形轻量化孔综合评价优于矩形孔; 准直镜结构轻量化多目标优化设计全面考虑了准直镜结构轻量化、轻量化孔形状要素和光学面型形变等多学科之间耦合问题，设计者可按需选择全局范围内最满意的最优解，这将大幅度降低开发成本和周期。     

漂移量反馈控制式激光准直方法

提出一种集光纤准直与光束漂移量反馈控制准直技术于一体的激光光束准直方法 ,它是在单模光纤对激光器出射光束漂移量进行初级准直的基础上 ,进一步对光束的漂移量进行反馈控制 ,进而提高出射光束的方向稳定性。准直系统中利用漂移量分离光路和光电检测系统对光束的平漂量和角漂量进行了分离检测 ,并各自构成相应的光束空间平漂量反馈控制系统和光束空间角漂量反馈控制系统 ,减小了平漂量和角漂量反馈控制中的相互耦合。引入单模光纤使激光器与光束漂移量反馈控制准直系统相隔离 ,减小了激光管热源温度变化等因素对准直系统的影响 ,同时还便于准直系统使用中的安装布置。上述方法的应用 ,提高了准直精度及准直效率。实验表明目前该方法准直精度可达 0 .7× 10 -7rad。     

准直物镜在变焦距镜头杂散光系数测试中的作用和影响分析

在对变焦距光学镜头进行杂散光系数测试的过程中,需要了解各测试环节的作用及对测量结果的影响。讨论了准直物镜使用与否对杂散光系数测量结果的影响。通过对杂散光形成机理的分析,将杂散光来源分为视场内与视场外两种,阐述不同来源杂散光的不同特点及这两种杂散光通过准直物镜后的状态。用两个参数不同的变焦距光学镜头在有无准直物镜两种情况下杂散光系数的测量结果,说明准直物镜在杂光测试中的作用。对于视场外入射光束形成的杂散光,准直物镜的使用与否对其测量结果影响巨大,而对视场内入射光束形成的杂散光影响很小,测量时可以利用准直物镜来判断光学镜头杂散光的来源。同时通过实验说明入射光线在准直物镜间的多次反射形成的杂散光约为1%,它可作为系统误差从测量结果中剔除。     

基于法国实验客体的X射线准直技术研究

通过研究法国实验客体(FTO)的闪光照相过程,设计了静态照相过程中采用的准直措施,除传统的一二级准直体外,还通过添加三级准直体来进一步控制入射到客体边缘部分的X射线,从而降低散射的影响。蒙特卡罗方法模拟结果表明,采用三级准直技术可以有效地控制散射的影响,图像接收平面各边界的直散比有了明显的提升。     

(n,γ)反应实验研究中的中子屏蔽设计

用γ射线全吸收型装置(Gamma-ray Total Absorption Facility,GTAF),可以对中子俘获反应截面进行高精度测量。为了降低实验本底,实验中需要对源中子进行准直和屏蔽,还要对被样品散射的中子进行吸收以减少它们进入探测器后所形成的干扰。采用MCNP对中子的准直器、屏蔽体和中子吸收体进行了模拟设计,中子准直屏蔽体材料选用含硼聚乙烯(BC4的质量分数为3%)和铅。准直孔直径为13 mm,长度为500mm,经准直后样品处中子束斑坪顶直径为21 mm。中子吸收体材料选用聚乙烯和碳化硼,吸收体球壳内腔半径30 mm,聚乙烯壳层厚度60 mm,碳化硼壳层厚度10 mm,被样品散射的中子经吸收体后衰减93.7%。     

基于单准直透镜的阵列准直器研究

提出了一种基于单准直透镜和光纤阵列的阵列准直器, 深入研究了此种方案的光路无胶和光路有胶的两种实现方式; 并基于高斯光束传输矩阵和q参数相关理论, 从理论上详细地计算、推导了各变量之间的关系, 并进行了模拟仿真及实验验证, 得到了理论和实验一致的结果. 对两种实现方式的结构及封装设计也进行了初步的摸索和实验, 并制作出了性能良好的阵列准直器. 理论和实验表明, 该方案具有易加工、低成本、易封装、性能优等特点, 也易于扩展成多维阵列准直器, 可为可重构光分插复用器系统和光交叉连接系统的发展提供强有力的器件支撑.     

柱面透镜准直LD光场的计算建模方法研究

为了简化LD光场准直柱面透镜繁琐的理论设计过程,便于进行实际操作,利用Matlab计算建模的方法,计算理想准直柱面透镜上的各个离散点的坐标值,通过拟合或二次曲面方程逼近的方法来获得准直柱面透镜的面型参数。分析表明,二次曲面柱面透镜非常适合做半导体激光器的准直透镜,可以根据具体需要来选择相应的面型。相比于其他方法,该方法简单直观,易于设计和加工,参数的优化调整迅速,可以根据加工工艺的难易程度来选择合理的透镜参数。     

弱光紫外星模拟器的研制

为了解决月基紫外深空观测相机地面定标的难题,研制了一种动态范围大、星等模拟精度高的紫外星模拟器。该模拟器采用5 m离轴光管作为准直光学系统,用双积分球系统作为均匀光源,可模拟3～16等星的弱目标,其星等最小分辨率为0.2等星,星等不确定度为5.48%。通过试验证明,该星模拟器完全满足月基紫外弱光星等深空观测相机地面定标的试验要求,不仅可以在实验室内标定紫外观测相机的探测能力和灵敏度,还可用于测试观测相机的其它参数指标,为发展深空高轨探测相机提供了地面定标基础。     

2.45 MeV小型D-D中子管准直屏蔽结构设计

为获取小角度出射的单能中子源，采用蒙特卡罗软件对小型D-D中子管产生的能量为2.45 MeV的4立体角中子源进行了准直屏蔽结构设计。准直屏蔽结构分为准直器和捕获穴，准直器采用铁+含硼聚乙烯+铅的三层过滤结构，用于屏蔽照射野外杂散中子，捕获穴主要功能是增加反方向中子的弹性散射次数，从而降低出射束低能散射中子的比例。通过MCNP模拟得到了准直器各层材料的最佳厚度和出射孔尺寸以及捕获穴最佳结构。经验证，中子照射野处2.45 MeV的中子通量比照射野外大三个量级，中子照射野处低能中子通量比2.45 MeV的中子通量低一个量级，墙壁外总剂量率（中子+）在2.5 Gy/h以下。该研究对于小角度单能中子源的快速获取具有一定的实用价值，获取的中子源可用于中子剂量仪器有效性检验、中子监测仪性能测试等方面的研究。     

弱光紫外星模拟器的研制

为了解决月基紫外深空观测相机地面定标的难题,研制了一种动态范围大、星等模拟精度高的紫外星模拟器。该模拟器采用5 m离轴光管作为准直光学系统,用双积分球系统作为均匀光源,可模拟3～16等星的弱目标,其星等最小分辨率为0.2等星,星等不确定度为5.48%。通过试验证明,该星模拟器完全满足月基紫外弱光星等深空观测相机地面定标的试验要求,不仅可以在实验室内标定紫外观测相机的探测能力和灵敏度,还可用于测试观测相机的其它参数指标,为发展深空高轨探测相机提供了地面定标基础。     

离轴抛物镜准直特性的研究

由于反射式离轴抛物镜不产生色差并具有较大的有效孔径,已经广泛应用于辐射校准、宽波段的目标模拟和能量聚焦工作中。影响离轴抛物镜准直特性的主要因素有离轴量,有效孔径和焦面出射点的位置。采用矢量的方法,分析了离轴量等参量和准直性能之间的关系。给出了焦面出射点的位置从0~0.05f,相对孔径D/f从0~0.40,相对离轴量h/f从0.1~0.5变化时,离轴抛物镜准直仪的准直性能曲线。运用CODE V对矢量法的分析结果进行了验证,在条件一致的情形,两者结果吻合。这些结果有助于准直仪的设计。