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弓网滑动电接触是高速列车获取能量的唯一途径. 随列车速度、牵引功率提升以及在复杂多变环境中运行, 弓网电弧发生率提高、物性参数改变、危害增加, 严重威胁高铁安全. 本文系统综述了弓网电弧研究进展, 梳理了弓网电弧物理特性、试验及仿真研究方法, 重点分析了运行参数与环境条件对弓网电弧的影响规律及机理, 归纳了防治策略并探讨了电弧能量利用等新方向. 现有工作充分研究了运行参数对弓网电弧危害特性的影响, 但对弓网电弧物性参数及演化机理的研究较少, 缺乏对覆冰等特殊工况下弓网电弧现象的研究; 且现有弓网电弧防护手段需针对复杂环境工况进行改进, 以满足日益增长的弓网电弧防护需求. 基于综述提出两点未来展望: 1)要厘清特殊环境弓网电弧物性参数, 探明“环境工况-物性参数-电弧行为”关联机制, 为精准预测提供基础; 2)要从“源头抑制-界面防护-过程干预”出发, 建立弓网电弧高效防治体系. 本文旨在为中国高速铁路弓网系统的可靠受流与电弧防治提供理论参考与工程借鉴.
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随着高端制造、航空航天与核能等领域对在极端服役环境下的材料需求的不断提升，开发兼具高强度、高硬度和热稳定性的材料具有重要意义。单硼化铬因其独特晶体结构和优异力学性能而备受关注，但其在复杂应力条件下的变形与失效机制尚不清晰。本文基于第一性原理计算研究了单硼化铬在单轴拉伸、纯剪切及法向应力耦合剪切下的力学响应及微观结构演化，结果表明，该材料具有显著的拉伸各向异性：拉伸强度在[100]方向最高(69.92 GPa)，[010]方向最低(44.69 GPa)。最低的纯剪切强度(35.68 GPa)出现在(010)[100]方向。进一步分析表明，法向应力对剪切强度的作用呈非单调特征：在低压下随压力升高而增强，在高压下则出现软化。不同晶向对法向压力的敏感性差异显著，且各向异性随压力的增加而加剧。研究揭示了单硼化铬在多轴应力下的失效机制，可为其在极端环境中的应用提供理论支撑与设计参考。
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微波热声成像技术作为一种新兴生物医学成像方法，融合了微波成像高对比度与超声成像高分辨率的优点。微波热声显微成像作为其重要分支，在继承其优点的基础上，提供了观察更加精细组织特征的能力， 但传统栅型扫描机制因机械运动干扰微波场分布，需要多次信号平均以保证信噪比，且电机空程移动导致单次成像耗时较长，制约了其实际应用。本文提出并构建了一种基于一维振镜扫描的快速成像系统， 采用振镜-平移台混合架构，通过优化扫描方式， 降低了微波场干扰，同时减少了信号平均次数并缩减了空程耗时，从而提升了成像速度。设计的时序控制算法实现了微波激励、振镜运动与超声检测的精确同步，适配扫描方式优化的图像重建算法有效校正了扫描过程中产生的畸变。分辨率与对比度测试仿体实验，与早期肿瘤模拟离体实验表明，系统在速度提升超过 10倍的同时，保持了成像质量。该方案有效提升了微波热声显微成像效率和稳定性， 为其实验室研究向临床应用转化奠定重要基础。
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氢化或质子化通过引入离子功能调控自由度从而调控关联氧化物材料体系中多重自由度间的关联耦合效应, 突破固溶度极限的限制, 协同触发关联氧化物发生电子相变与磁转变, 为探索材料体系中的新奇物态提供了新途径, 在人工智能、关联电子器件及能量转换等领域展现出广阔的应用前景. 本文利用激光分子束外延法制备出亚稳态VO2(B)/La0.67Sr0.33MnO3(LSMO)异质结, 基于氢离子演化方法, 借助多功能氧化物异质结中关联电子与铁磁序间的关联、耦合与重构, 发现体系中弱铁磁绝缘相的新物态并涌现出丰富的结构演变与电子态重构等拓扑化学转变. 氢化触发VO2(B)/LSMO异质结体系的可逆磁电相变归因于氢化相关电子掺杂占据Mn元素eg (↑) 轨道而引发的电子局域化效应以及离子掺杂抑制Mn3+-Mn4+间的双交换相互作用. 本工作为探索关联氧化物材料体系中的新奇物态、莫特物理及其功能特性的器件化提供了可行的途径.
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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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