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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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在大气压介质阻挡放电的某些应用场景中, 待处理物表面附着的水滴会改变气隙宽度、介电分布、气相成分等条件, 进而影响低温等离子体的应用效果. 本文建立了大气压氦气介质阻挡放电仿真模型, 探究了接触角为45°, 90°和135°的水滴附着于待处理物表面时稳态放电结构与活性粒子分布受到的影响及其背后机制. 结果表明, 水滴表面与上方区域的稳态放电强度受到削弱, 这是因为在负击穿中, 水滴表面的极化电场增强了等离子体双极性扩散, 促成环形放电抑制区; 在次正放电阶段, 水滴极化导致的种子电子清除效应抑制了水滴上方区域放电, 上述放电抑制作用随水滴接触角变大而提升. 在化学分布部分, 待处理物和水滴表面的活性粒子与电子存在着协同分布关系, 其中O与N的分布会因O2与N2键能的不同产生差异, OH与He+的分布则分别受到水滴蒸发与电场的影响. 本文系统地阐述了水滴附着对介质阻挡放电电化学过程的影响机制, 为等离子体-液滴系统的相关应用提供了理论指导.
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低温等离子体的反问题是指根据等离子体的密度、电场等物理特性来反演电压幅值、频率等放电参数, 反问题的求解是对等离子体进行智能控制的重要前提, 在流体描述的框架下, 基于传统的离散化方法来求解反问题往往是非常困难的. 本文引入物理信息神经网络(physics-informed neural networks, PINNs)对大气压射频等离子体的反问题的进行求解, 把连续性方程、泊松方程及漂移扩散近似等主要控制方程与作为待求解放电参数的电压幅值与频率, 及额外的电场数据这3部分作为约束嵌入PINNs的损失函数中. 经过训练后, PINNs可以实现对电压幅值与频率等放电参数的精确反演, 且可以保证误差均在1%以内, 同时也可以完整地输出密度、电场、通量等物理量的时空演化. 为进一步优化额外数据对PINNs计算的影响, 本文还深入分析了电场数据的采样位置、采样数量以及噪声水平对反演电压幅值与频率的效果. 本研究表明, PINNs能够在给定实验或计算数据条件下, 实现射频等离子体放电参数的精准反演及等离子体物理特性的精确计算, 从而为推进对等离子体的智能控制打下基础.
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本文研究了基于连续空结果测量方案来提高一个二能级原子在遭受一个零温度玻色热库环境影响下其相位估计精度问题.首先通过解析的方法,得到了在热库环境中执行了n次空结果的测量以后原子系统最终态的表达式.为了更加突出连续测量在二能级原子动力学中的重要作用,将最终态中核心的振幅系数改成一种特殊的形式,获得了振幅系数一个非常简洁的数学表示式.有趣的是,我们发现：基于连续测量的二能级原子动力学由环境的谱宽度和测量的时间间隔乘积的标度参数密切相关,且在一些特殊情况下可以退化成已经存在的量子芝诺效应和马尔科夫近似的结果.进一步,我们也发现：不管是马尔科夫和非马尔科夫条件下,通过调节这个标度参数,二能级原子的相位估计的量子Fisher信息都能得到显著的提高.总之,本文中对环境后选择的空结果频繁测量方案可以有效降低退相干对量子Fisher信息的破坏作用,这一结果为开放量子系统中实现高精度测量提供了新的理论方案.
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研究分子结中电流对入射激光脉冲的时间依赖响应是获取分子结构及其激发态信息的重要途径.本文构建了一个由金属电极/聚乙炔分子/金属电极构成的有机分子结,采用Su-Schrieffer-Heeger模型描述分子结构,结合非平衡格林函数方法和级联运动方程,求解了高斯型激光脉冲作用下分子结的瞬态响应特性.研究发现,激光脉冲的中心频率是影响瞬态电流响应特性的关键因素之一.仅当电子与光场发生共振时,才能引起大量电荷的激发.由于电子-声子耦合作用,被激发的电子引发晶格弛豫并形成激子态,导致能量转移,使得电流振幅显著增大,频谱中特征峰分布区域变宽.冻结晶格原子运动后,发现电流振幅减小,电流频谱变得简洁,验证了电子-声子耦合是分子结内光诱导电流的另一个关键因素.这些发现有助于理解分子对外部光刺激的动态响应机制,也为设计新型光电分子器件提供理论基础.
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光场的相干度在单光子成像中直接关系着成像信噪比与对比度，但现有成像光场相干度被限制在热噪声极限（g(2)(0)≤ 2）以下．本文提出了基于随机动态掩模调制增强光场二阶相干度的方法，并利用高分辨单光子探测阵列（SPDA）实现了对强关联、幂律光子统计特性光场的测量，进而验证了高阶相干度对成像质量的提升效果．实验表明在单像素平均光子数在10-2~102范围内，可实现幂律光子分布光场制备；在随机动态掩模调制下最大二阶相干度g(2)(0)=98.67 ，在哈达玛掩模调制下最大g(2)(0)=47.29 ，相干度提升幅度随曝光时间与调制频率可调．基于动态掩模最强相干度在5 μs曝光时间、单像素平均光子数0.026，仅需20帧进行高分辨400×400单光子二阶关联成像即可实现图像质量显著提升，峰值信噪比（PSNR）由8.05 dB增至29.03 dB，提高20.98 dB；结构相似度（SSIM）从0.08优化至0.92，增加了0.84；对比度由0.99显著增至74.96，清晰度由0.18增至34.19．该研究显著提升光场二阶相干度并超越热噪声极限，同时在单像素光子数远小于1、μs级快速曝光条件下实现单光子成像性能提升，为光场高阶相干度调控与低光子关联成像提供支撑．
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毛细管放电等离子体射流点火装置结构简单可靠, 点火效能强, 是当前工业和学术领域的研究热点. 射流瞬态辐射热流特性是表征射流点火能力的重要手段, 本文搭建了基于薄膜量热计的瞬态辐射热流测量系统, 针对薄膜探头的测量范围、响应时间和灵敏度提出设计与优化方法; 研究了聚乙烯和聚四氟乙烯不同工质情况下, 储能电容电压和毛细管直径对输出辐射热流特性的影响. 结果表明, 毛细管放电辐射热流密度相较于主放电电流具有滞后性, 增大系统储能有助于提升主放电沉积能量效率与等离子体温度, 进而提升输出辐射热流密度与热流持续时间; 增大毛细管直径会减小放电时间常数进而缩短热流持续时间, 当毛细管直径从1.5 mm增至3 mm时, 辐射热流密度显著提升, 而当毛细管直径从3 mm增至6 mm时, 辐射热流密度随之下降. 此外, 主放电能量沉积效率、等离子体射流扩展特性以及工质烧蚀特性均会影响辐射热流密度; 聚乙烯工质毛细管放电较聚四氟乙烯工质辐射热流密度峰值更高, 峰值时间提前且持续时间更短.
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磁控溅射沉积透明导电氧化物薄膜过程中, 理解离子动力学过程是揭示“溅射损伤”机理并发展损伤抑制策略的关键. 本研究在纯Ar气氛下, 以氧化铟锡为阴极靶材, 系统探讨辅助阳极正偏压对射频磁控放电中基底入射离子能量分布的影响. 结果表明, 入射正离子包括O+, Ar+, In+, Sn+及多种金属氧化物分子离子和双电荷离子, 其能量由溅射原子的初始逸出能与等离子体电势共同决定, 并随辅助阳极偏压的升高而增强. 负离子源于阴极溅射, 其中O–和O2–负离子能量分布宽广且呈多峰结构, 与阴极电压、等离子体电势的射频振荡及离子输运的弛豫效应密切相关. 金属氧化物负离子(InO–, InO2–, SnO-和SnO2-)对射频鞘响应滞后, 其高能峰向阴极偏置电压收敛. 高能负离子是导致“溅射损伤”的主要原因, 施加辅助阳极正偏压能有效降低其能量, 为透明导电氧化物薄膜损伤抑制提供潜在解决方案.
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本文探讨了莫尔晶格扭转角对玻色-爱因斯坦凝聚体中带隙孤子的调控作用. 结果表明, 扭转角度明显影响莫尔晶格的周期和系统的线性能带结构, 对带隙孤子的结构及稳定性有着重要影响. 在半无限带隙(吸引作用主导), 势阱深度越深, 孤子密度越大. 而在第一带隙(排斥作用主导), 孤子密度随势阱深度呈现相反变化规律. 线性稳定性分析和非线性动力学演化表明, 第一带隙内找到的孤子普遍稳定; 而在半无限带隙中, 孤子稳定性与其类型及空间构型密切相关: 单峰孤子, 峰间距大的多峰孤子及峰间距近的异相孤子较为稳定, 而同相多峰孤子则易失稳. 研究同时发现, 越靠近能带边缘, 孤子的稳定性越好. 该研究为调控莫尔超晶格中的非线性孤子提供了理论依据.
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超重核的裂变势垒高度和基态结合能是影响熔合反应中存活概率的关键物理量。它们的准确性是存活概率计算中不确定性的主要来源。在这项工作中，我们应用了迁移学习技术来训练神经网络模型，通过结合理论模型预测数据和实验数据，改进了有限程液滴模型（FRLDM）和WS4理论模型对裂变势垒高度的预测。结果显示，FRLDM模型的均方根误差从1.03 MeV降低到0.60 MeV，WS4模型的均方根误差从0.97 MeV降低到0.61 MeV。对于结合能，我们优化了AME2020的实验值与WS4理论预测之间的差值。在测试集上，均方根误差从0.33 MeV降低到0.17 MeV，而在整个数据集上，它从0.29 MeV降低到0.26 MeV。本研究为提高裂变势垒高度和结合能预测的准确性提供了一种具有前景的方法，这将有助于提高核反应存活概率计算的精度。本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.28388中访问获取 (审稿阶段请通过私有访问链接查看本文数据集https://www.scidb.cn/s/6fmeIz)。
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以C4F8为代表的碳氟等离子体因其可精细调控的F/C比、高活性自由基密度及优异的材料选择性，已成为纳米级半导体刻蚀与沉积工艺的核心介质。高深宽比刻蚀中，发射光谱诊断将影响形貌的活性粒子密度与光谱特征关联实现原位监测，为精度与良率协同优化提供有效途径。这其中，兼具动力学模拟与光谱分析的等离子体模型是必不可少的。本文建立了一种适用于发射光谱的在线分析的C4F8/O2/Ar等离子体模型。通过C4F8分解路径与碳氟自由基氧化机制分析，精炼了化学反应全集。在此基础上，加入了F、CF、CF2、CO以及Ar与O的激发态能级的碰撞辐射过程，与光谱特征建立了关联。分析了典型感应耦合放电条件下活性粒子演化规律，并与实验数据进行了验证。结合动力学溯源，阐明了碳氟自由基与离子的产生损失机制，并讨论了可能存在的误差来源。该模型具有在实际刻蚀工艺场景中OES在线监测的应用前景。
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