[科普中国]-极化束

极化束广泛用于核结构的研究中，极化核反应是其理论基础，磁谱仪提供了在能级较密情况下实验所需要的高分辨率。极化束包括极化质子、极化氘、极化中子和极化重离子束，70 年代后开始应用于核物理研究。最近，中国原子能科学研究院 Lamb Shift 极化离子源开始运行，提供极化质子束，因此，用极化质子束进行核物理实验已成为可能。

概念用极化束做实验得到的物理观测量称为自旋测量，如各种矢量分析本领、张量分析本领和各种极化转移系数，再加上截面角分布，其信息量远比仅用非极化束的信息量多。由于某些自旋观测量对于某些核结构较敏感，因此广泛用于核结构研究中。自旋观测量均为相对测量，具有比截面绝对测量容易而且精确度高的特点。

高分辨谱学-极化束在核结构中的应用研究背景通常用于实验测量的探测器的分辨率是不够的，例如半导体探测器的分辨率一般为100 keV 左右，致使实验上分不开能级间隔小的能级。即使做弹性散射角分布实验时，分不开质量数接近的同位素的弹性散射峰也是司空见惯的，如相应于天然 Si 靶含有28、29、30Si，它们的弹性散射峰在小角度就很难分开。有时在我们所研究的峰附近可能有其他很强的峰，也限制了数据的获取速率。近二十年来，一些实验室采用磁谱仪代替半导体探测器。磁谱仪的高分辨率可以将大多数能级分开，或把一些不需要的峰去掉。磁谱仪的高分辨率与极化束核反应物理特性的结合，派生出了高分辨谱学。慕尼黑大学和日本的 RCNP 实验室都是有名的从事高分辨谱学的实验室。表1列出了它们的分辨率。

研究进展传统上极化束用于下列核结构的研究中：

(1) 确定能级的自旋和宇称。在核反应中自旋观测量的行为强烈地依赖于转移的角动量，此性质用来确定未知能级的自旋和宇称，或改正定错了的自旋和宇称。例如，极化束和磁谱仪结合而成的高分辨谱学，谱分辨率可达4～6 keV，在110Pd 谱学研究中，可看到0 ～ 3 MeV 的范围内有激发态 80 个，3～ 3.7 MeV 范围内有激发态 60 个，其中绝大多数可得到较好的极化分析本领，用以确定能级的自旋和宇称。

(2) 各种核模型的研究，如壳模型、IBM 模型、声子模型等。例如，在32P和41Ca单粒子轨道及112Cd 和110Pd 多声子态中，由于许多感兴趣的能级挤在一起，只有用磁谱仪才能将它们分开，看清它们每个的性质。

(3)同源态研究，即研究不同同位素各激发态核结构之间的关系。如88Y 的 2-Ex =2.283 MeV和 3-Ex= 2.244 MeV的两个态，可认为是87Y基态1/2-和一个2 d5/2的价中子按角动量耦合规则组成的。87Y Ex=0.794 MeV态和0.982 MeV 态与88Y部分态也有同样的关系。205Tl 和206Pb之间也有类似的关系。

(4) 核中D态的研究。

(5) 其他领域的研究。

研究结论在这些传统领域中，随着极化束研究的不断深化，不断涉及更多的核素，因此，用极化束研究核结构历来是最活跃的，在每次极化会议上均是研究文章最多的领域。由于不断有新的核结构形式出现，用极化束研究核反应也应该有新的领域，例如用放射性束可以研究晕核，但是只适用于基态是晕的核，而随着研究的深化，对于激发态是晕的核，例如13C 的第一激发态，也可能用极化束进行研究是可行的。再如我国学者鲍诚光等人从基本对称性入手研究α基团模型，认为12C 的13.35 MeV 的激发态的自旋和宇称不是2-而是 4-，关系着集团模型的成败。用极化束确定自旋和宇称是有优势的，上述研究也可以形成系统学研究。当然有的在理论处理上有难度，有的实验不好做，需要有水平和胆识去开辟新的方向。

此外，极化束还应用在许多领域，但在核反应领域应用范围最广，如一些核反应机制可以由极化分析本领的角分布行为来判断。核力的研究是极化核反应的重要部分，无论是自由核子之间的核力或核子与核子之间的有效核力都与自旋有关，因此，有关核力的实验非极化束末属。极化束还应用在各种守恒量破缺的实验中。1

极化波束形成的相控阵雷达导引头技术研究随着现代战场电磁环境的日益复杂，相控阵雷达导引头系统面临着一系列严峻的挑战，例如压制式干扰会使接收机非线性失真，使雷达系统致盲，从而失去其基本作用。因此如何抑制压制式干扰是相控阵雷达导引头系统所面临的一个重大挑战。在传统的相控阵雷达中，阵元辐射出来的无线电信号通过加权可以实现不同方向的波束，这样的阵列发射的波是一个标量形式，且波束具有固定的极化形式，极化不能自主控制，阵列系统的阵元仅能获得空间电磁信号一个场分量的信息，其信号处理仅为空域信号处理。虽然采用旁瓣对消技术能够抑制部分压制式干扰，但并不能提供足够的抑制能力。雷达极化信息由于能够提供给相控阵雷达额外的自由度，在抗干扰中的应用逐步受到重视。

空间的电磁信号是矢量信号，完备的电场信号和磁场信号是一个六维复矢量，随着现代科技的发展和需求，不但需要得到目标信号的空间信息和频率信息，还期望得到目标更加细微的信息，比如电磁波的极化信息，这一信息在目标的检测与增强、识别和抗干扰方面有巨大的应用潜力，因此出现了极化相控阵雷达。在极化抗干扰方面，利用极化多样性可以有效对抗无线通讯中的衰落，并可以弥补由于随机取向而导致的极化失配问题，极化阵列可以与期望信号的极化相匹配，并且在干扰方向上置零，依据这一特性，极化阵列的抗干扰性能得到了广泛的研究。20世纪 80 年代初，美国 Compton 简单研究了极化阵列的滤波和抗干扰性能。研究初步表明了极化阵列有较强的抗干扰能力，当雷达系统在空域无法将信号分开时，可以在极化域根据正交极化失配的原理来抑制干扰信号，增强期望信号。

问题建模极化( polarization) 的概念最早来源于光学领域，用来描述光的偏振现象，因此极化也称为偏振。电磁波在空间传播时，电场矢量的瞬时取向称为极化，极化可以用极化椭圆来表征，如图 1 所示。椭圆的形状、倾斜角 α 和椭圆率角 β 由两个方向上的电场的幅度比和相位差决定。

极化波束合成考虑一对相互垂直的偶极子组成的天线阵列，如图2所示。由图2可知， 极化信号是由电场的两个分量的幅度比和相位差决定，因此可以通过控制阵元加权值，来得到任意极化形式的波束。对于一般的相控阵雷达来说，控制加权值可以得到期望的能量方向图；对于极化相控阵雷达( 假设阵元取向一致且固定) 来说，控制加权值不仅可以得到期望的能量方向图，还对电磁波有额外的极化控制。

研究结论基于极化相控阵雷达可利用接收天线的极化失配原理，在接收端对干扰信号的能量进行最大程度隔离，从而提高雷达系统的抗干扰性能。基于此，推导了零陷约束、旁瓣极化联合下的最优极化波束形成算法，根据所推导出的优化问题特点，并将其转化二阶锥规划问题进行求解，利用凸优化的求解使得该算法更具效率性和全局最优性。仿真结果表明，该方法不仅能控制旁瓣能量、主瓣极化方式，还可以控制任意角域的旁瓣水平以及旁瓣极化，在抑制干扰方面有很大的应用潜力。2

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学