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光纤激光器在太空、反应堆、大型加速器等辐射环境中应用时，辐射与光纤的相互作用会给光纤参数带来较大变化，从而影响激光器的输出性能。本文对掺镱光纤激光器的伽马辐照响应特性开展了实验和仿真研究。实验对比了无源光纤、泵浦合束器、光纤光栅、增益光纤等不同光纤器件在辐照环境下的性能变化，通过对比分析明确了增益光纤是激光器系统中对辐射最为敏感的光纤器件。实验研究了泵浦方式、增益光纤长度对掺镱光纤激光器辐射响应特性的影响，并通过理论模拟对实验结果进行了分析验证；结果表明，后向泵浦方式和更短的增益光纤有助于降低光纤激光器系统的辐射敏感性。相关研究结果可为光纤激光器抗辐射优化设计提供技术参考，支撑激光器在辐射环境中的安全使用。
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109Ag位于慢速中子俘获过程路径上，且79%由快速中子俘获过程产生。同时，银铟镉(Ag-In-Cd)控制棒中109Ag的质量比为38.56%，109Ag的中子俘获反应截面数据在核能和核天体物理学应用中非常重要。本工作利用中国散裂中子源的白光中子源开展了109Ag同位素靶的中子俘获截面实验，结合中子飞行时间法和脉冲高度权重技术等方法获得了1-500 eV能区的109Ag中子俘获截面。使用基于R矩阵理论的SAMMY程序提取了109Ag的共振能量、中子共振宽度和辐射共振宽度参数，实验所提取的中子共振参数值在139.4 eV处符合JENDL-4.0库收录的结果，在169.9 eV处和328.1 eV处符合JEFF-4.0库收录的结果，在259.3 eV处符合CENDL-3.2库收录的结果。本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00197中访问获取(私有访问链接https://www.scidb.cn/s/RNfUnq)。
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GeSn合金作为一种新型硅基光电材料，因其带隙可调特性以及兼容硅基CMOS工艺等优点，在红外光子学领域展现出显著的应用潜力。尽管GeSn激光器在低温条件下的实验性能已得到初步验证，但该器件的优化与实际应用仍面临着对材料特性的认识尚不充分等挑战。本文针对GeSn合金在红外光子学应用中存在的载流子动力学机制不明等问题，通过建立包含能带参数、非平衡态载流子输运和辐射复合的唯象理论模型，系统研究了变温条件下热激发和声子辅助过程对GeSn合金直接带自发发射影响的机理。研究结果表明，GeSn合金ΓCBM与LCBM能谷间的载流子转移过程表现出显著的组分依赖性：对于Sn组分小于10%的低组分GeSn合金，温度诱导的LCBM→ΓCBM电子转移占主导，导致直接带发光效率随着温度的升高而增强；而在Sn组分在10%-20%的高组分GeSn合金中，ΓCBM→LCBM的电子逃逸过程更为显著，造成直接带发光效率随着温度的升高而降低。改进型Arrhenius模型分析载流子谷间输运与辐射复合的竞争机制进一步表明，热激发和声子辅助对ΓCBM能谷电子注入或者逃逸均有促进作用，是提升或者降低GeSn合金直接带隙辐射复合效率的关键因素。GeSn合金自发发射谱的峰位红移主要源于带隙收缩效应；同时声子辅助过程会降低载流子能量分布的离散性，导致直接带发射谱谱线窄化效应明显。量化研究结果进一步揭示了GeSn合金中载流子的热激发和声子辅助对直接带隙发光影响的机制，可为其在红外光电器件中的性能调控提供理论参考。
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受制于感应耦合等离子体（ICP）发生器内极高温度、有限空间以及电磁场与化学反应的复杂耦合，实验方法在揭示发生器内电磁场与流场的相互作用及放电特性方面存在较大局限，数值模拟因而成为研究该类问题的重要手段。本研究以氩气ICP为研究对象，利用COMSOL在平衡态（LTE）与非平衡态（NLTE）假设下建立二维模型，比较两者在温度场与能量耦合特性上的差异。结果表明，在千帕级压力下，LTE下温度峰值约8200 K，高温区范围更大且集中于线圈区域。而NLTE最高温度仅约5990 K，且分布偏移至下游；同时，轴心区域以基态氩为主，线圈附近激发态与离子分数升高，表明能量沉积与粒子转化主要集中在趋肤层。进一步分析不同压力下中心线分布发现，随压力降低，电子与气体温度差值增大，体系热非平衡特征显著增强。研究揭示了千帕级压力下ICP放电过程中的电磁-热-流动耦合机制及其非平衡特征。结果表明，在千帕级压力模拟中，NLTE模型能更准确地捕捉能量耦合与温度分布的关键特征，为高焓风洞等应用中的ICP数值模拟提供了模型选择依据。
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低温等离子体沉积与刻蚀技术在芯片制造、平板显示器和光伏等等离子体辅助制造领域中具有至关重要的作用. 而等离子体与材料之间的物理、化学相互作用机理, 是揭示工艺过程本质、优化制程参数、提升器件性能与可靠性的重要科学基础. 本工作基于流体混合模型并耦合表面形貌演化模型自洽模拟了不同放电参数下的等离子体放电特性以及沉积/刻蚀表面形貌, 并给出了一些研究实例的模拟结果与讨论. 在非晶硅薄膜沉积过程研究中发现, 等离子体放电过程所产生的电子密度径向分布不均匀, 会导致基片表面中性基团和离子通量分布乃至膜厚或膜质的不均匀. 其中, 离子能量分布还会影响薄膜中各元素的含量和成键情况, 进而影响薄膜质量和性能. 而在碳氟混合气体放电刻蚀SiO2研究中, 发现在裁剪电压波形的驱动下通过调节电极间距、谐波相位以及谐波次数, 可实现对离子与中性基团的灵活控制, 从而筛选出更优的放电参数以改善刻蚀效果. 在感性耦合氯混合气体刻蚀Si的过程中, 采用裁剪电压波形会使离子能量主要分布在高能区, 这能显著提高刻蚀效率. 综上, 通过混合模拟可以实现等离子体放电与沉积/刻蚀过程的自洽耦合, 总结离子与中性基团协同作用的本质规律, 为工艺与设备的优化提供参考.
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可变比冲磁等离子体发动机具有大推力、高比冲、长寿命、可变比冲、和高效率等技术优势, 是未来深空探测、载人航天所必须的先进动力装置. 可变比冲磁等离子体发动机内螺旋波等离子体源与离子回旋共振单元相互串联, 探究发动机内电离过程对离子加热过程的影响规律对发动机性能测试与优化具有重要意义. 本文建立了串联螺旋波等离子体源与离子回旋共振单元的多组分流体模型, 并在不同螺旋波等离子体源输入电流与气压条件下进行了数值模拟, 探究了螺旋波等离子体源工作状态对离子回旋共振单元离子能量密度的影响规律. 研究结果表明: 螺旋波等离子体源放电模式随输入电流与背景气压增大逐渐转变, 计算区域内等离子体密度与离子回旋共振单元内的离子能量密度出现跳变现象; 在本文模型及输入条件下, 螺旋波等离子体源中的工质电离过程与离子回旋共振单元的离子加热过程是解耦的, 螺旋波等离子体源的工作模式并不影响单个离子通过离子回旋共振单元所获得的能量增益, 发动机进而可以实现多模态工作.
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旋转辐条作为一种低频、长波长不稳定性, 广泛存在于磁控管、霍尔推力器等${\boldsymbol{E}} \times {\boldsymbol{B}}$放电装置中. 霍尔推力器中旋转辐条表现为位于放电通道中的明亮发光区域沿着角向旋转. 旋转辐条不稳定性引起的空间电势扭曲, 提高了在${\boldsymbol{E}} \times {\boldsymbol{B}}$作用下沿电势等势线漂移运动的电子到达阳极的概率, 增加了电子的轴向输运. 本文利用轴向-角向的二维粒子-流体混合模型研究了霍尔推力器放电通道中的轴向磁场梯度对旋转辐条不稳定性的影响. 采用包含等离子体密度梯度和磁场梯度效应的色散关系, 结合模拟得到的离子密度分布、电势分布、电场分布对模拟结果进行分析. 模拟结果表明, 随着放电通道内磁场梯度的减小, 模数$m = 1$的旋转辐条不稳定性的频率和传播速度会轻微的增大, 但不会对旋转辐条的传播方向和本质特征产生影响. 结合色散关系的分析结果表明, 密度梯度和磁场梯度共同驱动的角向漂移不稳定性是旋转辐条的诱发因素. 磁场改变引起的离子密度分布的变化对诱发旋转辐条的角向漂移不稳定性出现的轴向位置有轻微的影响, 但始终位于推力器出口下游附近. 结果表明旋转辐条不稳定性不属于电离不稳定性, 且改变放电通道内的磁场分布不会对旋转辐条的传播方向和模数产生影响. 本研究结果为明确旋转辐条的激发机制及其影响因素提供了理论支撑.
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针对目前钢铁材料掺杂合金元素改性主要从细晶、弥散强化两方面入手, 涉及铁素体基体相本身性能改善的研究不足, 本文结合第一性原理计算和正交试验法, 构建Fe16-x-y-zMnxTiyMoz(x, y或z = 0, 1或2)三元掺杂超胞模型, 系统研究M (Mn, Ti, Mo)掺杂对其稳定性、力学性能和电子结构的影响. 形成热(Hform)计算表明, 所有固溶体均能自发形成, 且Ti掺杂最利于固溶体形成, Mn次之, Mo最不利; 结合能(Ecoh)计算表明, 所有固溶体均具有结构稳定性, 且Mo掺杂对其结构稳定性的影响最大, Ti掺杂次之, Mn掺杂最小; 电子结构分析表明, 掺杂原子Mn 3d, Ti 3d和Mo 4d与Fe 3d态重叠增加, 并出现明显的杂化现象, 导致费米能级降低, 且Fe13Ti1Mo2费米能级最低, 稳定性最好, 与结合能判定结果一致; 力学性能计算表明, M掺杂降低了固溶体的抗拉压变形能力和硬度, 但却提升了其塑性, 这为韧塑性铁素体基钢铁材料的设计提供了理论借鉴与技术参考.
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固体表面微纳米液滴中的结晶行为在工业与农业领域应用广泛, 如绿色打印、农药喷洒等. 这些应用涉及的固体基底通常是有机材料, 极性较弱或是非极性. 因此, 研究非极性固体上微纳米液滴内的结晶行为对于上述应用至关重要. 然而, 目前关于非极性固体表面微纳米液滴内离子结晶行为及其机理的研究相对匮乏, 尤其是原子尺度的机制尚不清楚. 本文采用分子动力学模拟方法研究了非极性固体表面氯化钠纳米液滴内离子的结晶行为及机理. 研究发现, 当浓度高于3.76 mol/kg时, 非极性固体表面的氯化钠纳米液滴内发生结晶. 结晶与固体的空间限制效应有关, 而与其物理性质无明显关联. 在非极性固体与溶液构成的界面处, 离子与固体表面之间形成水层, 离子被排斥到液滴内部, 从而提高了液滴内部的局域离子浓度, 促进结晶. 在相同条件下, 氯化钾纳米液滴内也观察到结晶现象. 本文为理解非极性固体表面在固液界面中的作用、调控纳米液滴的结晶行为等提供了新的理论视角.
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本文基于二维流体模型，以平行板结构为基础，对高压电极介质表面具有微结构的大气压氧气脉冲放电进行了研究，重点分析了微结构诱导的混合放电及其增强机制。微结构的存在导致放电过程中电场畸变，电子在横向电场的作用下被局域束缚在微结构下方区域，放电呈现出电晕模式；同时由于凸起微结构的存在，该处放电间隙减小，纵向电场显著增强，从而引起微结构下方电晕放电与两侧平板放电产生放电时间上的不一致性。随着表面凸起微结构几何参数的增大，可进一步诱发二次放电。仿真结果表明，电晕放电的存在有效提高了电子密度、电子温度及高能电子的数量占比，增强了放电；高凸起条件电晕放电受到抑制的情况下，二次放电的产生，有效提高了高能电子的数量占比及空间内活性氧原子的平均数密度。这些发现为微结构引发的放电增强微观机制提供了深刻的见解，为设计高效的等离子体装置提供了方法指导。
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在高性能结构材料的发展中，实现轻质、高强与良好塑性的平衡始终是材料设计的重要挑战。钛基金属玻璃因其极高的比强度而备受关注，但强度与塑性之间的固有矛盾长期限制了其应用潜力。本文基于前期由准晶Ti40Zr40Ni20衍生的(Ti40Zr40Ni20)72Be28块体金属玻璃体系，通过引入少量Al元素实现了性能的协同优化。结果表明，((Ti40Zr40Ni20)72Be28)97Al3块体金属玻璃的比强度高达5.34 × 105N·m·kg-1，创造了Ti基金属玻璃的新纪录，同时塑性应变达到了13%，突破了金属玻璃比强度-塑性的性能界限。结构分析表明，Al的微合金化有效继承并调控了源自准晶相的短程有序结构特征，从而实现了强度与塑性的协同提升。本研究为Ti基块体金属玻璃的成分设计及其在轻量化结构材料领域的应用提供了新的思路。
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应用时域有限差分（FDTD）方法分析目标电磁特性时，需要对目标进行空间离散．当宏观电磁目标包含“无限薄”石墨烯界面时，该界面不能进行纵向剖分，同时界面上存在面电流，使界面上的切向电场不能用常规方法计算．对于含不可纵向剖分石墨烯界面的电磁目标，提出一种等效源电流（Equivalent Source Current，ESC）-时域有限差分方法。将石墨烯界面上的面电流等效为源体电流，从而采用有源Maxwell方程，然后通过中间变量并结合处理色散介质问题的移位算子方法，得到石墨烯界面上切向电场的迭代计算式，最终实现含“无限薄”石墨烯界面目标的FDTD计算．多个算例的计算结果都和解析结果有很高的吻合度，表明该方法是正确有效的．本文方法可以推广应用于含“无限薄”导电色散界面目标电磁特性的数值分析．
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质子照相是探测等离子体中场分布的一个有效方法。然而由于电磁场结构的复杂性，从质子束的成像反演电磁场分布是极其困难的，往往需要对场结构做一些对称性假设。借助机器学习的方法，我们开展了不依赖对称性假设的复杂质子成像反演磁场分布的研究。我们以数十个Weibel不稳定性产生的磁场作为基元构建出的复杂磁场为反演目标，通过GEANT4计算了50000份质子照相图像，搭建并训练了一个包含三层卷积层的轻量化卷积神经网络，在质子成像的散焦区实现对具有数个不对称焦散和显著通量聚集的复杂质子成像的三维（3D）磁场反演。在场反演过程中，涉及到对包含场结构、位置、旋转等信息在内的80个参数的预测。结果显示预测值平均绝对百分比误差仅为8.5%，反演获得的磁场所计算对应的质子成像图与原测试图像具有较好的一致性。该研究表明建立更为精准的空间网格点等方法反演更一般电磁场是可能的，为强激光等离子体作用中的电磁场反演提供了一个可行的方法。
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为了探索Nb元素对AlCrFeNi合金的相调控机制, 本研究将实验与第一性原理计算相结合, 系统探究了不同Nb含量对AlCrFeNiNbx高熵合金微观组织、力学性能及耐磨性的影响. 结果表明, AlCrFeNiNb0.4高熵合金具有良好的力学性能与最佳的耐磨性. Nb的掺杂改变了AlCrFeNi合金的磨损机制, 并提高了合金的耐磨性. 这归因于Nb对AlCrFeNi合金的相调控作用: 一方面诱导高硬度的Laves相析出, 另一方面固溶于合金的BCC相及B2相, 并显著地提升两相的力学性能. 此外, Nb的掺杂细化了合金的微观组织, 促使其相界面密度提升, 从而综合提升了合金的硬度, 屈服强度以及耐磨性. 第一性原理计算表明Nb原子改变了AlCrFeNi合金中BCC相与B2相的电子结构, 从而提升了两相的稳定性, 印证了Nb对两相的的固溶强化作用. 而Nb原子与两相中大部分原子会形成较强的反键, 进一步解释了Nb掺杂后合金的微观组织中大量Laves相生成的本质原因.
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