同轴波纹返波管色散特性研究及粒子模拟

 计算了同轴波纹慢波结构的色散特性，分析了波纹周期长度、波纹幅值大小以及同轴内导体半径对慢波结构色散特性的影响。研究表明内导体的存在使系统截止频率升高,系统尺寸可比普通波纹波导慢波系统更大, 并且可以采用大半径电子注并工作在低磁场状态。运用Magic软件对同轴波纹返波管进行了数值模拟, 发现同轴波导内场分布有利于注波互作用,在数值模拟基础上设计出高效率、低磁场的非均匀同轴波纹返波管,互作用效率达60%,聚束磁场小于1 T。     

中国聚变工程试验堆上新经典撕裂模和纵场波纹扰动叠加效应对alpha粒子损失影响的数值模拟

托卡马克聚变堆中高能量alpha粒子的良好约束是获得稳态燃烧等离子体的前提,除了磁场波纹损失,不稳定性也会引起额外的损失.本文基于中国聚变工程试验堆(CFETR)参数, alpha粒子初始分布和新经典撕裂模(NTM)扰动分布,利用粒子导心跟踪方法分别对磁场波纹和NTM两种扰动及叠加下的粒子损失进行了详细的数值模拟.结果显示粒子损失份额不随NTM扰动幅度增大而增大,两种扰动的叠加效应不明显.通过扫描装置波纹度大小以及分析相空间粒子密度和波纹损失区分布,确认原因是CFETR波纹损失区较小,没有覆盖高能量粒子(EP)密度和NTM扰动主要分布区.此外, NTM没有引起直接粒子损失和俘获粒子剖面坍塌.显著的俘获粒子密度剖面展平,并扩展到波纹损失区是两种扰动叠加效应显著的前提.无碰撞波纹随机扩散是CFETR初始分布alpha粒子的主要损失通道,通行粒子约束不受磁场波纹影响.本文研究结果对CFETR概念设计中alpha粒子物理和低频不稳定性下的EP行为具有重要意义.     

“重力”效应对漂移波稳定性的影响

本文在直柱位形中,用强耦合近似方法分析了“重力” 场随极向角及环向角的变化对剪切磁场中漂移波稳定性的影响。我们发现,即使环向场波纹度很小,但由于其随环向角变化频率较高,对漂移波稳定性的影响不容忽略。特别是,当只考虑极向模耦合时稳定的漂移波,同时考虑环向场波纹度引起的环向模耦合时,变为不稳定。     

相对论行波管慢波结构几何参数研究

 推导了无引导磁场下具有离子通道的波纹波导中的色散方程,并通过数值计算分析了该慢波结构的几何参数如波纹周期、波纹深度以及波导平均半径对相对论行波管的带宽及增益的影响,为相对论行波管的设计提供了一定的依据。     

等离子体理论——托卡马克环向磁场波纹引起的粒子香蕉轨道偏离

在托卡马克中，热核等离子体的磁约束必须通过有限数目的环向磁场线圈来实现，这就产生了波纹环向磁场结构和由其引起的捕获高能粒子轨道的形变，从而造成高能粒子的快速损失通道——磁波纹损失。在托卡马克聚变堆(比如ITER)的设计中磁波纹损失是一个必须要考虑的问题，因为它将使大量α粒子在未被热化前损失掉，从而降低α粒子加热，并且由于波纹损失的局域性很强，有可能形成严重的聚变堆第一壁的局部损伤。     

Ka波段螺旋波纹波导回旋行波管

螺旋波纹波导回旋行波管与采用圆波导的回旋行波管相比,有较大的带宽。介绍了它的线性注波互作用理论,并用该理论计算了不同的磁场与波导表面微扰幅度对Ka波段螺旋波纹波导回旋行波管线性增益的影响。计算结果与已报道的实验结果基本符合,说明该理论可以初步确定螺旋波纹波导回旋行波管的各项参数。     

相对论行波管色散特性分析

 数值计算了一种填充等离子体的波纹波导结构的行波管，在强引导磁场下，被一环形相对论电子注驱动的小信号增益。详细地分析了等离子体的浓度、电子注的电压、电流及其在慢波结构中的传输位置对行波管的增益、带宽和中心频率的影响。     

磁流体数值模拟中一种消去磁场散度的方法

充分利用时空守恒元和解元（CESE）方法的特点（在CESE方法中，守恒变量及它们的空间导数都作为独立的更新量并且求解点在每个控制体边界上）给出一种用最小二乘法求解来消去磁场散度的方法.且我们进一步探究了磁场散度限制方程取不同的权重时对结果的影响.通过比较，我们发现当方程权重取为1时，可以非常有效地消去磁场散度误差.     

螺旋对称磁场的计算

本文对于分布在无限长圆柱周界上的螺线电流产生的磁场用标势方法得出了普遍解,并且给出了导线在圆柱周界上平均分布时的磁场公式。同时,用矢势方法计算了导线为非无限长时的磁场公式。以上结果,在螺距趋于零的极限下得到了波纹磁场。     

铁磁材料对永磁体磁场分布的影响及悬浮测试

为了研究铁磁材料对永磁体磁场分布的影响，以纯铁与钕铁硼永磁体为研究对象，对添加纯铁后不同组合永磁体磁场进行了测试。结果表明：对直径为80 mm厚度为5 mm的纯铁及边长为10 mm的方形永磁体而言，当纯铁底部永磁体对称排列时，纯铁上表面磁场呈规律性的均匀分布。当永磁体数目为9,边缘距为0时，纯铁上表面中心磁场较大，分布均匀度较高；当纯铁侧面固定永磁体时，组合体表面磁场增强，但增幅不同，表面磁场值越大，磁场增幅越小，磁场均匀度降低；随着距组合体表面高度的增加，纯铁表面中心磁场逐渐减小，磁场均匀度先减小后增加。另外，利用超导样品对均匀区磁场进行了磁悬浮测试，表明该结构实现磁场均匀化的可行性，对后续超导块材平面运动控制的研究具有重要意义。     

磁场对单壁碳纳米管电子结构和光学性质的影响

我们采用半经验的模型、用单激发组态相互作用方法计算并讨论了外加轴向磁场对单壁碳纳米管电子结构和光学性质的影响。由于电子电子间相互作用的影响，磁场导致碳纳米管吸收峰能级分裂与磁场不成正比。该结果与简单的能带理论所给出的结果在低磁场情况下有本质的区别，并与实验结果有更高的符合度。该研究进一步证明了电子电子间相互作用以及激子在决定碳纳米管电子结构和光学性质中的重要作用。     

飞秒激光烧蚀硅材料表面形成周期波纹形貌研究

基于Sipe-Drude模型和表面等离子体激元(SPP)的干涉理论分别对单脉冲飞秒激光诱导硅表面形成低频率周期性波纹进行分析研究.探究了波长800 nm、脉宽150 fs的单个飞秒激光烧蚀硅造成不同激发水平下波纹形貌的变化,考虑到材料的光学性质变化(由Drude模型得到的介电常数变化),引入包含双温方程的电子数密度模型.计算结果表明,Sipe-Drude和SPP理论都适用于分析和解释高激发态下周期性波纹,但Sipe-Drude理论更适合分析更为广泛的周期性波纹结构.同时,波纹延伸方向总是垂直于入射激光偏振方向,其空间周期略小于激光波长,并受到入射激光通量的影响.在激光通量为0.38 J/cm~2时,波纹周期达到最小值.另外,还得到了不同入射角度的波纹周期变化情况,并在不同偏振态下随入射角度增大时波纹周期呈现相反的变化趋势.该研究对于理解飞秒激光造成硅表面形成周期结构及其在加工硅材料领域具有重要参考意义.     

波纹参数对板式换热器传热和压降影响研究

建立冷热双流道模型,研究了不同波纹参数对其传热和压降性能的影响,分析了传热机理。结果表明,板式换热器的传热和压降性能主要受流体流动形式和触点密度的影响。波纹倾角β=70°时传热效果最好但压降较大,波纹深度对传热性能的影响效果比波纹倾角和波纹节距大8%和15%左右,波纹倾角对压降性能的影响大于波纹节距。     

椭圆扁圆度对椭圆环线电流中心轴线磁场分布的影响

运用场的叠加原理、椭圆积分的理论和方法,巧妙利用椭圆的对称性,导出了椭圆环线电流中心轴线磁场分布的解析表达式,系统、深入地讨论了椭圆扁圆度对椭圆环线电流中心轴线磁场分布的影响,揭示了椭圆环扁圆度对线电流中心轴线磁场分布具有调整作用、能使其呈现极大值的重要特性.     

光学薄膜特性的锥角效应数值分析

建立非平行光入射多层膜的模型,给出了在圆形光束锥角入射时的薄膜特性表达式,对三类典型光学薄膜即多腔滤光片、非偏振分光薄膜和非偏振截止滤光薄膜的特性进行了数值实验。研究结果表明:随着光束入射锥角的增加,多腔滤光片的影响是中心波长向短波方向移动,透射率下降和通带形状退化;非偏振分光薄膜的s和p偏振透射率增加,宽带波纹度增加;非偏振截止滤光薄膜的通带透射率出现周期振荡,s偏振的通带波纹度大于p偏振,通带波纹度总体具有增加的趋势,过渡区的陡度具有变大的趋势。     

激光辐照金属丝产生电子束的发散度

研究了激光辐照金属丝产生电子束的自身磁场对其发散度的影响。通过理论分析和量级估算得到:电子在金属丝附近运动时,同时受到金属丝电场和自身磁场的作用,聚集效应明显;当电子离开金属丝后,空间电荷效应的库仑排斥作用与自身磁场的聚集作用量级相当,近似认为可以保持已经具有的发散度。利用经典轨迹蒙特卡罗方法模拟了该过程,计算结果表明自身磁场可以解释电子束的发散度及其对金属丝长度的依赖关系。     

波纹内导体返波振荡器的热腔特性

 导出了波纹内导体同轴慢波结构热腔色散方程，研究了周期波纹深度、电子注平均半径、电子注电流及加速电压对波纹内导体慢波结构的高频场时间增长率的影响。结果表明：慢波结构周期减小、波纹深度加深、电子注平均半径减小、电子注电流增大、加速电压增大均会使高频场时间增长率增大。建立了粒子模型并应用PIC粒子模拟软件进行仿真，对各影响参数进行优化，结果表明：当加速电压为0.5 MV、电子束电流85 kA、波纹周期长度4.4 cm、波纹幅度为0.23 cm、内轴平均半径为2.9 mm和外壁内径为4.4 cm时，可获得10 GHz，1.1 GW效率约25%的单频微波输出。     

烘烤工况下ITER中子屏蔽螺栓预紧力研究

国际热核实验反应堆ITER计划是一项大型国际研究合作项目。中子屏蔽组件位于真空室内、外壳之间,其作用是屏蔽中子流、降低环向磁场波纹度。文中以中子屏蔽组件为研究对象,研究在烘烤温度下预紧力对其力学性能的影响。运用ANSYS软件对中子屏蔽组件进行非线性有限元计算,对比分析了在不同预紧力下螺栓的变形和结构的应力响应。研究表明,为了增强连接的紧密性,在保证结构完整性和螺栓强度的前提下充分利用螺栓的预紧力,应将预紧力产生的预紧应力控制在材料屈服应力的60%左右。     

ITER中子屏蔽结构的设计与分析

在ITER真空室的双层壳体之间嵌入中子屏蔽结构用来屏蔽聚变反应中产生的中子流和降低环向磁场的波纹度,从而确保聚变反应的安全进行。阐述了中子屏蔽结构的概念设计、设计准则、详细设计、装配方案等整个设计过程。选取组成整个中子屏蔽结构的一个屏蔽块作为研究对象,通过分载荷步对其进行了热-结构耦合分析,获得各部件响应应力均小于许用应力,满足ITER国际组的设计要求,从而验证了中子屏蔽结构设计的合理性。     

不同方向外磁场下海森堡自旋链的热纠缠

研究了两量子比特的海森堡XXX自旋链分别处于x方向和y方向均匀外磁场时系统的纠缠特性,并用负度N来度量。得到纠缠度N的解析表达式,并在此基础上进行数值计算。仔细讨论了磁场B、温度T和自旋耦合系数J对纠缠度N的影响。结果表明：纠缠度N会随着磁场|B|和温度T的增大而减小,但会随着自旋耦合系数J的增大而增大。另外,增大的J还会使临界磁场|Bc|和临界温度Tth变大。所以,我们可以通过调节B、T和J来控制热纠缠,这对固态系统中通过构建和选择参数调整系统的纠缠度具有一定的作用和意义。研究还发现,加在x方向均匀外磁场和加在y方向均匀外磁场对两量子比特的海森堡XXX自旋链的作用效果是一样的。