研究快报

• 氢气在锆表面和体相吸附扩散过程的第一性原理研究

  朱洋;祁风雷;陈长琦;王玉青;谢远来;

  为解决氢在锆表面和体相吸附扩散机制尚不明晰的问题，文章基于第一性原理，对锆吸氢过程四个步骤（氢分子解离、氢原子吸附、氢原子表面扩散和渗透和氢原子在锆体相中的扩散）进行研究。利用攀爬轻推弹性带方法，计算得到氢沿特定扩散路径的能垒和不同路径对应的扩散系数。计算结果表明氢分子的解离过程存在约0.07 eV的能垒，解离后的氢原子倾向于吸附在锆表面的密排六方位点。氢原子从锆表面密排六方位点向面心立方位点扩散的能垒为0.31 eV，从表面面心立方位点向次表面的八面体位点扩散的能垒为0.85 eV，在体相中的四面体位点向八面体位点扩散的能垒为0.43 eV。对比发现，氢原子从锆表面向体相渗透的步骤是限制锆吸附氢的限速步骤。文章为锆基材料吸氢过程提供原子尺度的见解，为高性能吸气剂材料研发和核反应堆包层材料氢化控制提供理论参考。

  2025年09期 v.45 719-725页 [查看摘要][在线阅读][下载 925K]
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• 用于胸部层析成像的分布式X射线管腔体设计

  唐华平;荆增儒;马法杰;李国宇;李少华;陈志强;

  新型分布式X射线源有望推动层析成像的发展，关键器件分布式X射线管内部集成有数量众多的阴极-阳极组件，其新型真空腔体和射线窗结构需要重点研究。以胸部层析成像应用为目标，开展了分布式X射线管的长柱型真空腔体和长线型射线窗的结构设计，通过有限元模拟仿真，分析了不同结构方案的应力分布和腔体变形量，提出了一种分段多窗的结构方案，并进行设计加工和验证测试。完成了医用63焦点分布式X射线管的优化设计，真空腔体壁厚3 mm，线阵排布的7个窗引出X射线，每个焦点的出束射野都可以完整覆盖射线管中心正前方的43 cm×43 cm大小探测器，射线管实测重量为35.6 kg，各面最大内凹变形量为0.31 mm,X射线窗宽度最大变形量为0.092 mm，真空腔体的最大应力模拟计算结果为1.692×10~8 N/m~2，各项指标达到预期要求。有限元模拟仿真分析有效指导了结构设计，真空腔体整体达到了重量轻、变形量小、应力低的目标，对该类型的真空腔体结构设计具有较好的参考作用。

  2025年09期 v.45 726-732页 [查看摘要][在线阅读][下载 912K]
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研究论文

• 同步辐射储存环束线管封装平台设计与研究

  余清洲;史根木;王思慧;陈肇玺;杨庆喜;

  为满足储存环束线管在组装前的封装保护需求，研究开发了一套高效多通道束线管封装平台。平台采用模块化三腔结构设计，并通过高真空插板阀实现灵活隔离与联通，使其既能在调试阶段进行整体抽气，又可在封装阶段灵活切换抽气与充气路径；同时，平台支持单批次同步封装4根束线管，并配置多泵组协同抽气系统，从而有效避免了传统系统频繁启停的问题，实现高效连续封装。文章对平台真空腔在抽真空、烘烤抽气和充气封装三种典型工况下的结构强度进行了分析，结果表明其最小安全裕度为15%，满足ASME强度校核要求。进一步开展系统的泄漏率设计，并基于分子流模拟评估其极限真空度。仿真结果显示平台最大极限真空度可达3.67×10~(-9) Pa，显著优于设计指标。研究为同步辐射储存环束线管的高效封装提供了可行方案，也对超高真空系统的设计与研发具有参考价值。

  2025年09期 v.45 733-741页 [查看摘要][在线阅读][下载 1041K]
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• 不锈钢的电子轰击放气影响特性研究

  罗艳;王魁波;吴晓斌;

  电子轰击放气对一些真空系统的设计起到决定性作用，但电子轰击放气的影响因素很多。采用典型的真空腔室材料316L不锈钢，开展了电子轰击参数对放气的影响特性实验研究。结果表明，电子束首次轰击新鲜表面时，电子轰击放气响应是立即且剧烈的，后续轰击虽仍为即时响应，但强度显著衰减；随电子束累积剂量的增加，电子轰击放气量和电子产额逐渐下降，降至初始值的近一半；随电子通量的增加，电子轰击放气量和电子产额略微增加；随轰击电子能量的增加，电子轰击放气量和电子产额逐渐增加；电子束轰击表面积也会显著影响材料的放气响应，随着轰击面积增大，电子产额会迅速增至初始值的8倍。316L不锈钢的电子轰击放气组分主要是H2，此外还会释放出N2/CO和CO2，且这些放气组分的离子流也受电子束轰击参数的影响。

  2025年09期 v.45 742-750页 [查看摘要][在线阅读][下载 903K]
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• 大质量数四极质谱计仿真分析及性能测试

  韩琰;熊兵;蔡龙;袁翠平;郭琦;任国华;

  四极质谱计作为一种高效、灵敏的质谱分析设备，广泛应用于物质成分分析工作中。现今对大质量数四极质谱计的研究相对较少。文章通过COMSOL真软件建立了大质量数四极质谱计的物理模型和电场模型，模拟仿真了离子源各透镜电压变化、交流电场频率变化、检测器偏转电压变化、电子倍增器电压变化等因素，分析对离子传输效率的影响。为提高传输效率，应尽可能减小带电离子在四极杆电场中的飞行时间，确保入射角度集中和垂直。参照模拟仿真结果的最优参数，实现了大质量数四极质谱计的自主研制，获得了1～1000 amu的测试质量数范围，电子倍增器检测模式下的检测灵敏度达到了10 A/Pa。未来可进一步开展分参数测试模式解决质量歧视的问题。

  2025年09期 v.45 751-758页 [查看摘要][在线阅读][下载 890K]
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• 镱金属真空蒸发过程中束形器参数对束流特性的影响

  郭凯;杨佳琦;张志忠;

  原子蒸气激光同位素分离过程中，蒸发原子束的密度、发散角等特性对分离、收集过程存在重要影响。文章基于直接模拟蒙特卡罗方法方法，对镱金属真空蒸发过程开展数值模拟研究，主要讨论了蒸发温度较低（700～820 K）时真空环境下束流在蜂窝板和狭缝板传输过程中出口束流特性的影响因素。研究结果表明，蜂窝板孔道长径比、壁面作用系数、入口束流稀薄程度等参数与束流约束效果正相关，且孔道出口束流平均发散角最小为22.5°；多层狭缝板结构中最后一层狭缝板结构参数、壁面作用系数、入口束流密度对束流约束效果显著。最后，总结了镱金属蒸发装置中束形器参数优化方法。研究结果对镱等低温下饱和蒸气压较高的金属蒸发装置设计有一定借鉴作用。

  2025年09期 v.45 759-769页 [查看摘要][在线阅读][下载 1194K]
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• 结构参数对水环真空泵能量损失及其性能影响研究

  李清云;赵国勇;刘华一;杨盼盼;李燕杰;边靖尧;

  为分析结构参数对水环真空泵能量损失及水力性能的影响，文章采用数值模拟和熵产理论相结合的方法，研究了不同轮毂比和叶片包角分布下对水环真空泵能量特征和性能的影响规律。结果表明：水力损失主要由湍流耗散熵产和壁面效应熵产两部分产生，而直接耗散熵产造成损失最小；叶轮区域的湍动能和熵产损失较大，高熵产生率区域主要分布在吸气区和排气区。在轮毂比和叶片包角设定范围内，壁面熵产损失均随两者增大呈不断增加趋势。轮毂比为0.45时吸气量与效率达到峰值；叶片包角为13.5°时综合性能最优。研究结果可为水环真空泵性能影响研究提供理论依据。

  2025年09期 v.45 770-777页 [查看摘要][在线阅读][下载 1227K]
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• 基于多场耦合的塑壳断路器分断双弧特性及影响因素分析

  梁博;董海燕;窦建明;燕宁宁;王思润;林小军;

  双断点塑壳断路器具有快速分断与双弧运动的特点，针对目前分断双弧的放电现象研究较为匮乏，探究双断点分断的电弧动态行为具有重要意义。文章基于磁流体动力学理论，依据断路器灭弧室实际尺寸，构建多物理场耦合的分断双弧仿真模型，分析电弧动态演变行为与断路器的开断特性，探究开断过程中灭弧室气体流动现象与电弧运动机理，并搭建试验平台进行分断试验，对比仿真与试验结果，在此基础上，进行驱弧磁场、烧蚀金属蒸气浓度对分断双弧特性影响的仿真分析。结果表明：分断双弧在气流场与电磁场协同作用下历经电弧生长、弧根跃迁、弧柱切割最终完成熄弧，对比弧流与弧压曲线，仿真与试验结果一致；此外，驱弧磁场对熄弧进程具有积极的促进作用，但这种作用呈现出非线性的正相关关系，且在较低磁场强度时影响更为显著；而铁蒸气的存在显著改变了高温弧柱的形态及其运动轨迹，相较于高浓度，低浓度铁蒸气对抑制弧压增长和延缓弧流下降表现更为出色。探究分断双弧的动态演变规律和开断特性，对于断路器的结构设计和性能提升具有重要意义。

  2025年09期 v.45 778-787页 [查看摘要][在线阅读][下载 1110K]
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• DBD等离子体处理火驱尾气中稀薄甲烷的实验研究

  马婷婷;成鹏;韩微笑;孙康宁;李森;

  文章采用了介质阻挡放电非平衡态等离子体技术对火驱尾气中稀薄甲烷进行低温高效处理。实验考察了等离子体放电功率（21～46 W）,O_2/CH_4摩尔比（2～10）和气体流量（400～1200 mL/min）对CH_4转化率、CO_2和CO选择性的影响。结果表明，随着放电功率和O_2/CH_4摩尔比的增加以及气体流量的降低，CH_4的转化率提高，CO_2和CO的选择性分别呈上升和下降的趋势。在高的放电功率和O_2/CH_4摩尔比、低的气体流量的条件下可实现稀薄甲烷的完全转化；稀薄甲烷氧化基本以生成CO为主，其次是CO_2,CO的选择性最高可达98.89%,CO_2的约为56.63%。

  2025年09期 v.45 788-794页 [查看摘要][在线阅读][下载 929K]
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• 应用于全固态薄膜电池的硫薄膜正极

  邓人铭;谢永辉;王星辉;

  随着物联网时代的来临，人们对于可与集成电路兼容制造的微型电源的需求日益迫切。全固态薄膜电池（Allsolid-state thin-film batteries,ASSTFBs）采用薄膜制造工艺而成为能与集成电路集成制造的理想片上电源。锂硫电池具有极高的理论能量密度，若将其应用于ASSTFBs，则有望大幅提升其能量密度。然而，单质硫的低熔点以及固有的迟滞动力学导致了研究人员对硫薄膜的制备经验不足，并阻碍了将其应用于ASSTFBs。为此，文章采用管式炉热蒸发法，将活性物质硫均匀地沉积到垂直石墨烯（Vertical graphene nanosheets,VGs）薄膜层中，制备了VGs-S复合硫薄膜。测试结果表明，采用该方法制备得到的VGs-S复合薄膜正极具有良好的电化学性能，其在12.7μA cm~(-2)的电流密度下首次放电面积比容量达到了55.3μAh cm~(-2)，并能够在127.2μA cm~(-2)的电流密度下稳定循环1000次，每次循环平均衰减仅为0.036%。该研究可为高能量密度ASSTFBs硫基薄膜正极的构筑提供一种新思路。

  2025年09期 v.45 795-801页 [查看摘要][在线阅读][下载 950K]
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• 亚微米碳基薄膜抑制二次电子发射效应及其对微放电阈值的调控

  段潮锋;胡笑钏;楚坤;王健;封国宝;胡天存;

  在微波场作用下，空间电子谐振倍增引起的微放电效应是导致航天器性能下降的重要因素。碳薄膜通过抑制二次电子发射，对降低微放电效应风险具有显著潜力。研究采用磁控溅射法，通过控制溅射功率在铜表面沉积不同厚度的亚微米碳基薄膜，测量其二次电子发射系数（Secondary electron yield,SEY），采用扫描电子显微镜对样品表面形貌、成分、薄膜厚度进行分析表征，通过CST Studio Suite软件预测平行平板波导模型的微放电阈值功率。结果表明，随着薄膜厚度从0增大至1239 nm,SEY最大值从2.18近似指数下降至1.72，第二临界能量从2810 eV下降至927 eV，且当厚度超过938 nm时，SEY最大值趋于稳定。微放电仿真显示，当f·d=5 GHz·mm时，938 nm的碳薄膜能够将平行平板波导模型的微放电功率阈值缩小21.27 kW。文章深入探讨了SEY与碳薄膜厚度之间的定量关系，且预示了碳薄膜在缩小微放电敏感区间方面的应用潜力，对于抑制航天器微波器件微放电效应、提升航天器空间可靠性方面具有重要的应用价值。

  2025年09期 v.45 802-809页 [查看摘要][在线阅读][下载 1012K]
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