空间X射线通信链路建模与功率分析

从空间X射线通信传输理论出发,首先对X射线通信的功率传输过程进行研究,以加性高斯白噪声信道模型与自由空间损耗为基础,分析了深空X射线通信的信道特征及功率传输过程、推导了功率传输方程,建立了通信链路模型;其次,分析了深空X射线通信系统的误差来源,建立了基于单光子探测器的噪声模型,并给出了主要噪声来源的数学表达式,从而确定了通信核心参数通信距离、通信速率、误码率与信号功率之间的关系;最后,对不同阳极高压与不同调制方式下探测器端信号光子数进行实验监测,对功率传输方程及误差模型进行验证.实验结果表明,所给出的功率传输方程与误差模型可以对空间X射线通信过程进行较好地解释.根据此模型,计算了在满足一定的误码率和传输距离要求时对X射线源出射功率的要求,为空间X射线通信研究建立了理论基础,为核心元器件的研究指明了下一步的方向,同时有望对空间X射线通信的工程化提供一定的参考.     

高超声速类HTV2模型全目标电磁散射特性实验研究

针对临近空间高超声速飞行器目标探测与识别研究的需求,开展了高超声速飞行器非均匀等离子体电磁散射特性模拟测量研究.利用弹道靶设备发射高超声速类HTV2模型形成模拟的超高速复杂外形目标,弹道靶高精度阴影成像系统和雷达测量系统分别测量高超声速类HTV2模型姿态、全目标C波段/X波段电磁散射特性,获得了不同实验条件下模型全目标雷达散射截面积(RCS)等实验数据.研究结果表明:在不同实验状态下,包覆等离子体鞘套的高超声速类HTV2模型同一测量波段的RCS差别超过1个数量级,模型姿态角对包覆等离子体鞘套的高超声速类HTV2模型RCS影响较大,最大相差1个多数量级;在给定的实验条件下,模型尾迹C波段RCS远小于包覆等离子体鞘套的模型RCS,模型尾迹X波段RCS显著增强;高超声速类HTV2模型全目标C波段电磁散射能量主要分布在模型及其绕流区域, X波段电磁散射能量主要分布在模型及其绕流区域和等离子体尾迹区域.根据弹道靶实验条件,开展了包覆等离子体鞘套的高超声速类HTV2模型电磁散射特性数值仿真,仿真结果与实验结果之间的最大误差小于4 d B,验证了本文提出的非均匀等离子体包覆目标电磁散射特性建模方法的...     

电磁波在非均匀磁化的等离子体鞘套中传输特性研究

采用流场模拟软件模拟了十一组分RAM-II飞行器表面等离子体鞘套的分布,提取了四个典型飞行高度、飞行状态下的等离子体鞘套的分布信息.然后根据RAM-II飞行器等离子体鞘套数据,利用计算色散介质的Z变换FDTD方法主要计算了电磁波在四个不同高度处等离子体鞘套中的功率反射系数和功率透射系数.此外,根据目前可以做出的磁场强度的大小,对四个不同高度下的非均匀等离子体鞘套层按距飞行器表面的距离进行相应的非均匀磁化.由于左旋极化波和右旋极化波在磁化等离子体中的传输特性不同,最后对比了左旋极化波、右旋极化波在非磁化和磁化情况下的传输特性,对飞行器导航通信磁窗天线的设计给出建议.     

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针对实验室等离子体的辐射物理条件和等离子体箍缩三温的数值模型,提出一种定量计算Z箍缩等离子体辐射能谱的近似方法。在给出计算能谱结构的理论方法之后,再将这种近似计算方法编入到Kr喷气Z箍缩等离子体X射线辐射的二维三温辐射磁流体力学模型中,得出典型Kr喷气Z箍缩X射线辐射的能谱分布。对照"强光一号"加速器Kr喷气箍缩实验测量得到的辐射能谱分布,分析了理论与实测结果之间存在的偏差。     

X射线辐射在双孔柱腔靶中传输实验研究

在“星光Ⅱ”装置上,采用双孔柱腔靶研究辐射在空腔中轴向传输变化特性.提出“漏水管”辐射输运的简化模型,用来分析X射线在空腔中的传输的实验结果。分析结果表明,简化模型与实验结果基本相符.X射线输运的结果是输运末端的X射线减弱,辐射持续的时间增大,等离子体弛豫时间增大 关键词： 双孔柱腔靶 辐射传输 “漏水管”模型     

毫米波与太赫兹波在等离子体中传输特性

针对黑障区高速飞行器测控通信研究需求,在激波管设备上开展了Ka波段毫米波与太赫兹波在等离子体中传输特性的实验研究,获得了不同电子密度和碰撞频率的等离子体中传输衰减特性实验数据。采用辅助差分方程的时域有限差分（ADE-FDTD）方法对实验进行了数值模拟,数值模拟结果和实验结果有很好的一致性。实验结果和数值模拟结果均表明:太赫兹波信号在相同的实验等离子体中传输衰减比毫米波信号小得多,具有更强的穿透等离子体能力;毫米波与太赫兹波信号在等离子体中传输衰减量随着等离子体电子密度的增加而增加,二者的差值也增加;太赫兹波能够作为解决高密度等离子体中电磁波传输的有效技术手段。     

Sb掺杂SrTio3透明导电薄膜的光电子能谱研究

用X射线光电子能谱和同步辐射光电子能谱研究了Sb掺杂的钙钛矿型氧化物SrTi1-xSbxO3(x=0.05,0.10,0.15,0.20)薄膜的电子结构.薄膜由紫外脉冲激光淀积在SrTiO3(001)单晶衬底上.该薄膜系列在可见光波段透明,透过率均超过90%.其导电性与掺杂浓度有关,当Sb掺杂浓度x=0.05时,薄膜显示金属型导电性.X射线光电子能谱和同步辐射光电子能谱研究结果表明,Sb掺杂在母化合物SrTiO3的禁带内引入了浅杂质能级和深杂质能级.浅杂质能级上的退局域化电子离化到导带中会产生一定的传导电 关键词： 光电子能谱 光学透过率 脉冲激光沉积薄膜     

信号在时变等离子体中的传播特性

高速飞行器等离子鞘套由于飞行姿态调整、湍流、非均匀烧蚀等因素的影响,使其等离子体参数存在时变特性,针对这种传输介质的快速时变特性引起的电波幅度、相位上的寄生调制效应,本文利用大面积辉光放电等离子体产生装置,搭建了等离子体中信号传输实验系统,进行了S频段的单频信号与调制信号传输实验,观测验证了调制效应的存在,且其调制频率与等离子体变化频率具有一致性,进一步分析了等离子参数与寄生调制效应的关系,理论和实验结果表明:即使当载波频率大于等离子频率时,时变等离子引起的寄生调制效应也会使传输信号的星座图发生旋转,造成其判决容差裕度变小,通信可靠性下降,并且载波频率越接近等离子频率时,其寄生调制效应越强烈。     

X射线在毛细导管中传输的理论研究

给出了X射线在毛细导管中传输特性的简明而系统的理论描述.在这个理论描述的基础上,建 立了X射线在毛细导管中传输的计算模型,编制了X射线在毛细导管中传输的计算程序.利用 编制的X射线在毛细导管中传输计算程序得到的数值结果和实验结果符合得很好. 关键词： 毛细导管 X射线 传输模型     

一种用于Z箍缩实验的软X射线成像系统

基于塑料闪烁体转换和光学条纹相机的方法建立了一套用于Z箍缩实验中的软X射线条纹图像诊断系统,解决了以往实验中使用的X射线条纹相机易被电磁环境干扰以及相机电极部件易被实验产生的高速粒子损伤的问题.诊断系统的光谱响应范围主要集中在0.2-10 keV,系统的空间分辨率经过理论评估小于120μm,通过标定闪烁体对X射线的时间响应特性给出了系统的时间分辨率约为1 ns.诊断系统拍摄到了铝丝阵内爆等离子体的一维空间和时间分辨的X射线条纹图像,给出了等离子体的内爆一致性和辐射均匀性等特征信息.     

S—Ka频段电磁波在等离子体中传输特性的实验研究

在感应耦合等离子体风洞上开展了等离子体中电磁波传输特性实验研究,获得了不同频率电磁波在等离子体中的传输衰减.通过微波诊断技术,获得了等离子体射流的电子数密度和碰撞频率.通过矢量网络分析仪和标准增益天线组成的电磁波传输特性测试系统,获得了电磁波经过等离子体之后的衰减,研究了电子数密度范围7.0×10~(10)-1.0×10~(13)cm~(-3)、等离子体碰撞频率在109 Hz量级的等离子体对2.6—40 GHz不同频率电磁波传输特性的影响,分析了经典传输理论和薄层理论预测结果与实验结果的差异.该实验工作为等离子体中电磁波传输特性的理论研究和数值仿真提供了基础数据.     

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在HL-2A装置上研制了用于测量等离子体密度分布的两套幅度调制微波反射仪。微波反射仪采用时间延迟法。这两套微波反射仪有不同的频率范围(26.5～40GHz和40～60GHz),它们所对应的密度测量范围是(0.84～1.98)×1019m-3和(1.98～4.47)×1019m-3。时间分辨率可达1ms,空间分辨率约为5mm。     

太赫兹波在磁化等离子体中传输特性

建立了电磁波穿过磁化等离子体鞘套的一维模型,并采用数值分析方法对太赫兹（THz）电磁波在磁化等离子体鞘套中传播时的反射率、透射率和衰减值进行了计算仿真,分析了磁化条件下磁场强度、太赫兹波频率、等离子体鞘套厚度、等离子体碰撞频率和等离子体密度对太赫兹波在磁化等离子体鞘套中传播特性的影响。仿真结果表明:排除衰减波峰对应的频率范围,外加磁场有效降低了太赫兹波传输的衰减,在固定磁场强度下,衰减波峰两侧的衰减值均达到了5 dB以下,有效地解决了通信黑障问题。     

中纬度地区电离层偶发E层对量子卫星通信性能的影响

电离层偶发E层是指在距离地面高度80—150 km之间,在风剪切作用下,电子密度急剧增加的不规则电离薄层,它会对量子卫星光信号的传输造成极大的影响.然而,有关电离层偶发E层与星地间量子通信信道参数关系的研究,迄今尚未展开.为了研究偶发E层对量子卫星通信性能的影响,首先分析了它的形成过程,得出自由电子密度随高度变化的关系;然后建立了自由电子密度、偶发E层的厚度对量子卫星链路衰减的模型;针对振幅阻尼信道,给出自由电子密度对信道容量、纠缠保真度、误码率和安全密钥产生率的定量关系.理论分析和仿真结果表明,当偶发E层的厚度为1 km、电子密度由3×10~5cm~(-1)增加到27×10~5cm~(-1)时,信道容量由0.8304衰减到0.1319,纠缠保真度由0.9386下降到0.3606,量子误码率由0.0093增加到0.0769,安全密钥产生率由9.968×10~(-5)减小到1.91×10~(-6).由此可见,电子密度的大小和偶发E层的厚度对量子卫星通信性能有显著的影响.因此,在进行量子卫星通信时,应根据对电离层参数的探测情况,自适应调整卫星系统的各项指标,以确保量子通信的可靠性.     

基于Z-FDTD的THz波与等离子体相互作用

利用Z变换时域有限差分法(Z-FDTD)计算等离子体鞘层中太赫兹(THz)波的传输特性,得出太赫兹波的功率反射和透射系数在等离子鞘层中随电磁波频率的变化曲线图,分析了太赫兹波的传输特性与等离子体结构参数(鞘层厚度、碰撞频率以及电子密度)的关系,对利用太赫兹波缓解等离子体鞘层通信中出现的“黑障”现象做了探讨。结果表明:太赫兹波能改善等离子体鞘层通信,为解决“黑障”问题提供了有效途径。     

HL-2A 装置中利用可见光谱段轫致辐射测量有效离子电荷数

通过测量可见光谱段的轫致辐射(λ=535.1nm)强度,结合等离子体电子密度和电子温度,HL-2A     

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A radio frequency (RF) driven negative ion source for NBI purpose was established at HUST. The main parameters include: pressure of 0.3Pa, frequency of 1MHz, ceramic cylinder diameter of 300mm. With 16kW RF power input the plasma density is greater than 10¹⁸m^-3.     

A two-component model for the electron distribution function in ahigh-current pseudospark or back-lighted thyratron

Temperature, energy, and densities of two electron distribution function components, including an isotropic bulk part and an anisotropic beam, are analyzed for a hydrogen pseudospark and/or back-lighted thyratron switch plasma with a peak electron density of 1-3×10¹⁵ cm^-3 and peak current density of ≈10⁴ A/cm². Estimates of a very small cathode-fall width during the conduction phase and high electric field strengths lead to the injection of an electron beam with energies ⩾100 eV and density of 10¹³-10¹⁴ cm^-3 into a Maxwellian bulk plasma. Collisional and radiative processes of monoenergetic beam electrons, bulk plasma electrons and ions, and atomic hydrogen are modeled by a set of rate equations, and line intensity ratios are compared with measurements. Under these high-current conditions, for an initial density n_H2=10¹⁶ cm^-3 and electron temperature of 0.8-1 eV, the estimated beam density is ≈10¹³ -10¹⁴ cm^-3. These results suggest the possibility of producing in a simple way a very high-density electron beam     

Importance of high local cathode spot pressure on the attachment ofthermal arcs on cold cathodes

The importance of having high local cathode spot pressures for the self-sustaining operation of a thermal arc plasma on a cold cathode is theoretically investigated. Applying a cathode sheath model to a Cu cathode, it is shown that cathode spot plasma pressures ranging 7.4-9.2 atm and 34.2-50 atm for electron temperatures of ~1 eV are needed to account for current densities of 10⁹ and 10¹⁰ A·m^-2, respectively. The study of the different contributions from the ions, the emission electrons, and the back-diffusing plasma electrons to the total current and heat transfer to the cathode spot has allowed us to show the following. 1) Due to the high metallic plasma densities, a strong heating of the cathode occurs and an important surface electric field is established at the cathode surface causing strong thermo-field emission of electrons. 2) Due to the presence of a high density of ions in the cathode vicinity, an important fraction of the total current is carried by the ions and the electron emission is enhanced. 3) The total current is only slightly reduced by the presence of back-diffusing plasma electrons in the cathode sheath. For a current density j_tot=10⁹ A·m^-2 , the current to the cathode surface is mainly transported by the ions (76-91% of j_tot while for a current density j_tot = 10¹⁰ A·m^-2, the thermo-field electrons become the main current carriers (61-72% of j_tot). It is shown that the cathode spot plasma parameters are those of a high pressure metallic gas where deviations from the ideal gas law and important lowering of the ionization potentials are observed     

Atomic collision processes relevant for heavy ion beam probes

Atomic collision processes of fast Tl and Cs ions with particles in a high temperature fusion plasma are investigated. At low beam energies (<5 MeV), ion impact collisions and charge exchange processes can be neglected compared to electron ionization processes. At beam energies above 5 MeV and high plasma ion temperatures, collisions with ions start to contribute significantly to signal generation and attenuation. Also, collisions with the neutral background gas in the beamlines can attenuate the ion beam significantly and lower the signal level, if the vacuum pressure is above 10^-4 Torr. For the heavy ion beam probes operating today, only electron impact ionization processes are important and accurate predictions of the secondary signal level and electron density profile measurements are possible because of the good knowledge of electron impact ionization cross sections for Cs ⁺ and Tl⁺ ions