極化束

極化束廣泛用於核結構的研究中，極化核反應是其理論基礎，磁譜儀提供了在能級較密情況下實驗所需要的高解析度。極化束包括極化質子、極化氘、極化中子和極化重離子束，70 年代後開始套用於核物理研究。最近，中國原子能科學研究院 Lamb Shift 極化離子源開始運行，提供極化質子束，因此，用極化質子束進行核物理實驗已成為可能。

基本介紹

• 中文名：極化束
• 外文名：Polarized beam
• 描述：核結構研究
• 套用：核物理實驗研究
• 學科：物理

概念

用極化束做實驗得到的物理觀測量稱為自旋測量，如各種矢量分析本領、張量分析本領和各種極化轉移係數，再加上截面角分布，其信息量遠比僅用非極化束的信息量多。由於某些自旋觀測量對於某些核結構較敏感，因此廣泛用於核結構研究中。自旋觀測量均為相對測量，具有比截面絕對測量容易而且精確度高的特點。

高分辨譜學-極化束在核結構中的套用

研究背景

通常用於實驗測量的探測器的解析度是不夠的，例如半導體探測器的解析度一般為100 keV 左右，致使實驗上分不開能級間隔小的能級。即使做彈性散射角分布實驗時，分不開質量數接近的同位素的彈性散射峰也是司空見慣的，如相應於天然 Si 靶含有28、29、30Si，它們的彈性散射峰在小角度就很難分開。有時在我們所研究的峰附近可能有其他很強的峰，也限制了數據的獲取速率。近二十年來，一些實驗室採用磁譜儀代替半導體探測器。磁譜儀的高解析度可以將大多數能級分開，或把一些不需要的峰去掉。磁譜儀的高解析度與極化束核反應物理特性的結合，派生出了高分辨譜學。慕尼黑大學和日本的 RCNP 實驗室都是有名的從事高分辨譜學的實驗室。表1列出了它們的解析度。

表 1 M unich Q 3D 和 RCNP RA IDEN 磁譜儀高分辨譜學的解析度

研究進展

傳統上極化束用於下列核結構的研究中：

(1) 確定能級的自旋和宇稱。在核反應中自旋觀測量的行為強烈地依賴於轉移的角動量，此性質用來確定未知能級的自旋和宇稱，或改正定錯了的自旋和宇稱。例如，極化束和磁譜儀結合而成的高分辨譜學，譜解析度可達4～6 keV，在110Pd 譜學研究中，可看到0 ～ 3 MeV 的範圍內有激發態 80 個，3～ 3.7 MeV 範圍內有激發態 60 個，其中絕大多數可得到較好的極化分析本領，用以確定能級的自旋和宇稱。

(2) 各種核模型的研究，如殼模型、IBM 模型、聲子模型等。例如，在³²P和⁴¹Ca單粒子軌道及¹¹²Cd 和¹¹⁰Pd 多聲子態中，由於許多感興趣的能級擠在一起，只有用磁譜儀才能將它們分開，看清它們每個的性質。

(3)同源態研究，即研究不同同位素各激發態核結構之間的關係。如⁸⁸Y 的 2^-Ex =2.283 MeV和 3^-Ex= 2.244 MeV的兩個態，可認為是⁸⁷Y基態1/2^-和一個2 d_5/2的價中子按角動量耦合規則組成的。⁸⁷Y Ex=0.794 MeV態和0.982 MeV 態與⁸⁸Y部分態也有同樣的關係。²⁰⁵Tl 和²⁰⁶Pb之間也有類似的關係。

(4) 核中D態的研究。

(5) 其他領域的研究。

研究結論

在這些傳統領域中，隨著極化束研究的不斷深化，不斷涉及更多的核素，因此，用極化束研究核結構歷來是最活躍的，在每次極化會議上均是研究文章最多的領域。由於不斷有新的核結構形式出現，用極化束研究核反應也應該有新的領域，例如用放射性束可以研究暈核，但是只適用於基態是暈的核，而隨著研究的深化，對於激發態是暈的核，例如¹³C 的第一激發態，也可能用極化束進行研究是可行的。再如我國學者鮑誠光等人從基本對稱性入手研究α基團模型，認為¹²C 的13.35 MeV 的激發態的自旋和宇稱不是2^-而是 4^-，關係著集團模型的成敗。用極化束確定自旋和宇稱是有優勢的，上述研究也可以形成系統學研究。當然有的在理論處理上有難度，有的實驗不好做，需要有水平和膽識去開闢新的方向。

此外，極化束還套用在許多領域，但在核反應領域套用範圍最廣，如一些核反應機制可以由極化分析本領的角分布行為來判斷。核力的研究是極化核反應的重要部分，無論是自由核子之間的核力或核子與核子之間的有效核力都與自旋有關，因此，有關核力的實驗非極化束末屬。極化束還套用在各種守恆量破缺的實驗中。

極化波束形成的相控陣雷達導引頭技術研究

隨著現代戰場電磁環境的日益複雜，相控陣雷達導引頭系統面臨著一系列嚴峻的挑戰，例如壓制式干擾會使接收機非線性失真，使雷達系統致盲，從而失去其基本作用。因此如何抑制壓制式干擾是相控陣雷達導引頭系統所面臨的一個重大挑戰。在傳統的相控陣雷達中，陣元輻射出來的無線電信號通過加權可以實現不同方向的波束，這樣的陣列發射的波是一個標量形式，且波束具有固定的極化形式，極化不能自主控制，陣列系統的陣元僅能獲得空間電磁信號一個場分量的信息，其信號處理僅為空域信號處理。雖然採用旁瓣對消技術能夠抑制部分壓制式干擾，但並不能提供足夠的抑制能力。雷達極化信息由於能夠提供給相控陣雷達額外的自由度，在抗干擾中的套用逐步受到重視。

空間的電磁信號是矢量信號，完備的電場信號和磁場信號是一個六維復矢量，隨著現代科技的發展和需求，不但需要得到目標信號的空間信息和頻率信息，還期望得到目標更加細微的信息，比如電磁波的極化信息，這一信息在目標的檢測與增強、識別和抗干擾方面有巨大的套用潛力，因此出現了極化相控陣雷達。在極化抗干擾方面，利用極化多樣性可以有效對抗無線通訊中的衰落，並可以彌補由於隨機取向而導致的極化失配問題，極化陣列可以與期望信號的極化相匹配，並且在干擾方向上置零，依據這一特性，極化陣列的抗干擾性能得到了廣泛的研究。20世紀 80 年代初，美國 Compton 簡單研究了極化陣列的濾波和抗干擾性能。研究初步表明了極化陣列有較強的抗干擾能力，當雷達系統在空域無法將信號分開時，可以在極化域根據正交極化失配的原理來抑制干擾信號，增強期望信號。

問題建模

極化( polarization) 的概念最早來源於光學領域，用來描述光的偏振現象，因此極化也稱為偏振。電磁波在空間傳播時，電場矢量的瞬時取向稱為極化，極化可以用極化橢圓來表征，如圖 1 所示。橢圓的形狀、傾斜角 α 和橢圓率角 β 由兩個方向上的電場的幅度比和相位差決定。

圖 1 極化橢圓示意圖

極化波束合成

考慮一對相互垂直的偶極子組成的天線陣列，如圖2所示。由圖2可知， 極化信號是由電場的兩個分量的幅度比和相位差決定，因此可以通過控制陣元加權值，來得到任意極化形式的波束。對於一般的相控陣雷達來說，控制加權值可以得到期望的能量方向圖；對於極化相控陣雷達( 假設陣元取向一致且固定) 來說，控制加權值不僅可以得到期望的能量方向圖，還對電磁波有額外的極化控制。

圖 2 極化相控陣雷達導引頭的陣列組成

研究結論

基於極化相控陣雷達可利用接收天線的極化失配原理，在接收端對干擾信號的能量進行最大程度隔離，從而提高雷達系統的抗干擾性能。基於此，推導了零陷約束、旁瓣極化聯合下的最優極化波束形成算法，根據所推導出的最佳化問題特點，並將其轉化二階錐規劃問題進行求解，利用凸最佳化的求解使得該算法更具效率性和全局最優性。仿真結果表明，該方法不僅能控制旁瓣能量、主瓣極化方式，還可以控制任意角域的旁瓣水平以及旁瓣極化，在抑制干擾方面有很大的套用潛力。