Vol. 61, No. 14 (2012)
2012年07月20日
总论
2012, 61 (14): 140201.
doi: 10.7498/aps.61.140201
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用近年来提出的(G'/G)展开法首次尝试了对变系数非线性发展方程的求解, 并以两类变系数非线性KdV方程为例,且成功得到了新的精确解. 实践证明: (G'/G)展开法不仅适用于常系数非线性发展方程, 而且还很好地适用于变系数非线性方程,具有广泛的应用前景.
2012, 61 (14): 140202.
doi: 10.7498/aps.61.140202
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研究了一类大气非线性系统. 利用大气非线性热力动力学理论, 讨论了大气非线性强迫耗散系统的速度、温度和湿度所满足的非线性反应-扩散系统, 再利用微分方程Lyapunov稳定性理论, 得到了大气非线性反应-扩散系统在均匀定态解邻域内的微扰解. 最后由系统的控制参数的变化, 得到了大气非线性强迫耗散系统有关的物理量的有序-无序-有序状态的转化过程, 从而可以预报和预测相应的局部大气非线性强迫耗散系统的稳定性态.
2012, 61 (14): 140203.
doi: 10.7498/aps.61.140203
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冷原子介质中的光孤子在电磁感应透明(EIT)的作用下表现出很多奇异的特性,对描述这些特性的理论模型的研究在光信号处理和传输方面具有重要的意义. 描述三能级冷原子EIT介质中空间孤立子演化的二维饱和非线性薛定谔方程被转化成辛结构的Hamilton系统, 利用辛几何算法离散Hamilton系统得到了相应离散的辛格式,并且利用辛格式数值模拟了三能级冷原子EIT介质中在相同振辐不同相位的两个、四个光孤子的相互作用行为. 数值实验结果表明: 冷原子介质中多个光孤子的相互作用行为不但与入射高斯光束的相位有关,还和入射高斯光束的方向有关. 入射的高斯光束能在冷原子介质中形成稳定的孤立子.
2012, 61 (14): 140204.
doi: 10.7498/aps.61.140204
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研究一类广义Birkhoff系统的无限小正则变换与积分, 建立这类广义Birkhoff系统的方程,将Birkhoff系统的无限小正则变换与积分的有关结果推广到这类广义Birkhoff系统,举例说明结果的应用.
2012, 61 (14): 140205.
doi: 10.7498/aps.61.140205
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研究弹性理论中一类非自伴算子矩阵的本征向量展开定理. 证明了其本征向量组具有辛正交性, 给出了本征向量组完备的充分必要条件, 并将所得结果应用于板弯曲问题和矩形薄板均匀变压屈曲挠度方程中.
2012, 61 (14): 140301.
doi: 10.7498/aps.61.140301
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利用二次型理论,通过三次保对易线性变换,实现了广义n维耦合谐振子体系哈密顿量的退耦合, 得到了体系对角化后的哈密顿量,并给出了体系的能量本征值和本征函数.
2012, 61 (14): 140302.
doi: 10.7498/aps.61.140302
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运用广义线性量子变换理论求解了采用两种不同正则化变换给出的受线性阻尼和含时外力作用粒子的哈密顿量;给出了演化算符的严格解,以及粒子坐标和动量的期望值、 量子涨落.结果表明: 1)两种正则化变换是等价的; 2)线性阻尼对粒子的动量存在压缩效应, 动量的偏差随时间t按负指数规律衰减,阻尼系数越大,衰减越快; 3)粒子坐标和动量的期望值与经典值相同.
2012, 61 (14): 140501.
doi: 10.7498/aps.61.140501
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Weiss分子场理论(WMFT)对晶体中顺磁-铁磁和顺电-铁电相变特征的定量描述是相当成功的. 由于是平均场理论,又可作为初步分析结构无序体系和复杂组分体系相变行为的理论依据. 但是迄今为止,并没有对有外场时WMFT的相变特征进行详细研究. 而对铁电体系,仅仅对分子取向为两个状态时WMFT的相变特征进行了研究. 另外,虽然铁磁与铁电体系的WMFT描述极为相似,但是由于两种体系中微观磁化和极化的单元不同,导致相应的数学描述与结果也有所不同. 本文首先对外电场中分子取向包含任意状态的铁电体系的WMFT相变特征, 包括自发极化、内能和比热以及静态极化率随温度变化进行严格推导, 然后对相变特征随外电场的演变进行了研究.结果表明: 1)无外场时,体系发生二级顺电-铁电相变,且随状态数的增加,相变温度减小, 这是与铁磁体系不同的地方,同时单分子的平均极化强度减小,而内能、比热和极化率增大; 2)外场的存在,使得体系原有的二级相变转化为弥散相变,且外场越强,弥散温区越大. 上述结果对深入研究铁电体系的相变,特别是弥散相变无疑是有益的.
2012, 61 (14): 140502.
doi: 10.7498/aps.61.140502
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针对一类具有非匹配不确定性的交叉严反馈超混沌系统,提出一种基于多层前向神经网络的反演自适应同步设计方法.利用神经网络估计系统中的不确定性,运用滑模控制和交叉自适应反演控制处理系统中的非匹配不确定性及神经网络的逼近误差, 当虚拟控制项系数不过零时可保证系统的同步误差趋向于零,过零时可保证同步误差有界. 数值仿真证明了提出的控制方案的有效性.
2012, 61 (14): 140503.
doi: 10.7498/aps.61.140503
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针对一类含有不确定项的混沌系统修正函数投影同步问题, 提出了自适应修正函数投影同步方法.根据Lyapunov稳定性理论, 给出了两种响应系统的设计方案,并设计了控制器和自适应律. 研究表明,所设计的控制策略对外界干扰有较强的鲁棒性, 且不需要事先已知不确定项的上界,通过引入加速因子,可任意配置同步响应速度, 具有较高的使用价值.理论分析及仿真结果验证了该方法的有效性.
2012, 61 (14): 140504.
doi: 10.7498/aps.61.140504
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研究了激光Maxwell-Bloch 方程时空混沌网络的同步问题.对单模激光Maxwell-Bloch方程进行了修正. 以N个修正后具有时空混沌特性的单模激光Maxwell-Bloch方程作为网络节点构成复杂网络. 在考虑到网络连接过程中,节点时空混沌系统中的参量可能受到某种干扰而与实际值产生微小偏差的情况下,采用网络第一个节点的时空混沌系统同时并行驱动其余N-1个时空混沌系统达到同步. 进一步通过仿真模拟验证了同步方案的有效性.
2012, 61 (14): 140505.
doi: 10.7498/aps.61.140505
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借助计算机 Maple 软件系统,利用拓展的(G'/G)方法和变量分离方法, 得到(2+1)维破裂孤子方程的精确解. 根据得到的孤立波解, 构造出多 Solitoff 局域结构, 研究了孤子随时间的演化.
2012, 61 (14): 140701.
doi: 10.7498/aps.61.140701
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针对统计量算法盲检测多进制振幅键控(MPSK)信号的缺陷, 提出了一种幅值相位型连续多值复数Hopfield神经网络算法, 构造了适用于MPSK信号的幅相型离散多电平激活函数,并分别在异步和同步更新模式下证明了该神经网的稳定性.当该神经网的权矩阵借助接收数据补投影算子构成时, 该幅相型离散Hopfield神经网络可有效地实现MPSK信号盲检测. 仿真试验表明:该算法所需接收数据较短,可到达全局真解点,并且适用于含公零点信道.
2012, 61 (14): 140702.
doi: 10.7498/aps.61.140702
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在基于多级微反射镜的傅里叶变换光谱仪中,由于分束器的色散特性, 不同波长的干涉图具有不同的横向偏移量,其在横向空间会发生混叠. 同时,不同波长的干涉图还具有不同的光程差偏移量,使其在纵向空间也会发生混叠. 根据几何光学原理,干涉图的横向混叠会减小干涉图元的有效面积. 计算表明,本研究中干涉图元的横向混叠面积为总面积的3.4%, 通过数据处理扣除混叠部分可以消除横向混叠的影响. 干涉图的纵向混叠会产生一个附加的相位延迟,削弱谱线的强度. 经分析,附加相位延迟与分束器和补偿板之间的厚度差成正比. 本文给出了发生对比度反转时分束器与补偿板厚度差的极限值, 并利用解线性方程组的方法对纵向混叠的干涉图进行了校正, 反演出的光谱与理想光谱的标准偏差仅为1.7610-14.
2012, 61 (14): 140703.
doi: 10.7498/aps.61.140703
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介绍了基于近紫外发光二极管LED (中心波长约372 nm,半高宽13 nm) 光源的非相干宽带腔增强吸收光谱技术,同时用于探测痕量气体HONO和NO2. LED出射光经准直后耦合进入长度为70 cm,由两块高反射率镜片组成的高精密光学腔内. 分别测量了氮气消光谱和氦气消光谱,通过两者瑞利散射截面的差异而引起光谱强度的变化来标定镜片反射率.在360390 nm反演波段内,镜片反射率在390 nm处最大且为0.99962, 对应测量NO2/HONO混合物时的最大光程约1.71 km,并利用最小二乘拟合反演出了HONO和NO2的浓度值.当光谱采集时间为1000 s时, HONO和NO2的探测灵敏度(1) 分别为0.6 ppbv和1.9 ppbv.实验结果表明,该技术为实现大气痕量气体的高灵敏度在线监测提供了另一种可能的途径.
2012, 61 (14): 140704.
doi: 10.7498/aps.61.140704
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基于单分析通道非分散红外(non-dispersive infrared, NDIR)气体分析技术, 提出一种单组分双分析通道气体检测方法. 根据SO2的红外吸收特征, 采用逐线积分气体吸收模型和方法, 选择洛伦兹展宽线型并考虑温度和气压对积分线强、线型的影响, 确定了两个分析通道的滤波参数.使用7.32 μm和4 μm波段分别反演小于等于 280 ppm与大于280 ppm的SO2浓度;使用最小二乘法, 以三阶多项式为拟合模型, 获得了两个分析通道的定标曲线.对系统的测量线性度、检测限和测量准确度进行了分析. 两个分析通道的联合可以实现约几ppm至10000 ppm的宽动态范围的SO2测量, 且系统测量线性度大于0.99, 测量误差小于5%.既克服了NDIR气体分析技术检测灵敏度和宽动态测量范围不能同时兼顾的缺陷, 良好的系统测量线性度还为多组分气体分析的干扰修正提供了非常必要的前提条件.
2012, 61 (14): 140705.
doi: 10.7498/aps.61.140705
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研究了基于红外差分光学吸收光谱技术的环境大气中的水汽测量方法. 所用实验装置由自制的非分散红外多组分气体分析仪改装而成, 根据HITRAN数据库提供的线强参数,采用Voigt展宽线型和方法,并考虑温度、 气压及仪器函数的影响,计算出了水汽反演波段的有效吸收截面. 将反演的水汽浓度与非分散红外分析仪的测量结果进行了实时对比, 得到了较好的测量一致性,测量相关系数为0.93347. 为今后采用红外DOAS技术测量其他在紫外可见波段无吸收或仅有弱吸收的气体 (如CO2, CH4, CO, N2O等)提供了可借鉴的解决方案.
基本粒子物理学与场
2012, 61 (14): 141101.
doi: 10.7498/aps.61.141101
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研究单面Chetaev型非完整系统在无限小变换下的共形不变性及其与Noether对称性和Lie对称性的关系. 首先,给出了单面Chetaev型非完整系统的共形不变性的定义; 其次,研究了系统的共形不变性与Noether对称性之间的关系;最后, 研究了系统的共形不变性与Lie对称性之间的关系,得到了共形不变性同时是Lie 对称性导致的Hojman守恒量.最后分别举例说明了结果的应用.
核物理学
2012, 61 (14): 142301.
doi: 10.7498/aps.61.142301
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利用传统的固相反应法制备了BiFe1-xMnxO3 (x= 00.20)陶瓷样品, 研究了不同Mn4+掺杂量对BiFeO3陶瓷密度、物相结构、显微形貌、 介电性能和铁电性能的影响.实验结果表明:所制备的BiFe1-xMnxO3 陶瓷样品的钙钛矿主相均已形成,具有良好的晶体结构, 且在掺杂量x=0.05附近开始出现结构相变.随着Mn4+添加量的增加, 体系的相结构有从菱方钙钛矿向斜方转变的趋势,且样品电容率大幅度增大, 而介电损耗也略有增加;在测试频率为104 Hz条件下, BiFe0.85Mn0.15O3 (r=1065)的 r是纯BiFeO3 (r=50.6)的22倍; 掺杂后样品的铁电极化性能均有不同程度的提高,可能是由于Mn4+稳定性优于 Fe3+,高价位Mn4+进行B位替代改性BiFeO3陶瓷, 能减少Bi3+挥发,抑制Fe3+价态波动,从而降低氧空位浓度,减小样品的电导和漏电流.
2012, 61 (14): 142501.
doi: 10.7498/aps.61.142501
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在详细比较同位旋相关的核子-核子碰撞截面的几种常用形式的基础上,利用IBUU模型, 分别对具有相同质量的60Ca+60Ca和60Ni+60Ni的中能重离子碰撞进行了模拟计算,定量地分析了碰撞过程中不同形式的同位旋相关的核子-核子碰撞截面对于核子的快度分布和集体流的影响.结果显示: 不同形式的核子碰撞截面,可以给出相差较大的核子的快度分布和横向流, 但在同一种截面形式下,对称势的变化对横向流的影响较小.这表明在新的动量相关的对称势下, 中能重离子碰撞中集体流对于截面的敏感性依然成立;同时表明,在相同的碰撞截面和对称势形式下, 当入射能量在平衡能附近时,入射粒子的中质比对核子在平面流的影响较大,反之,影响较小.
原子和分子物理学
2012, 61 (14): 143201.
doi: 10.7498/aps.61.143201
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通过数值求解一维含时Schrödinger方程,研究了具有较长脉宽双色激光脉冲与氢原子相互作用产生的高次谐波和阿秒(as)脉冲.这里的双色激光脉冲由一束基频钛宝石主脉冲与另一束红外附加脉冲构成.研究发现,当合成脉冲的脉宽选为12 fs时, 选取合适的附加脉冲波长,合成电场的振幅在始末端时间段能被大幅抑制, 仅中间部分的电场对谐波谱平台区和截止位置起主要贡献. 通过分析合成脉冲电场始末端时间段抑制的机理,进一步扩展了合成脉冲脉宽到60 as, 并得到160 as的孤立短脉冲.这是迄今为止在孤立阿秒脉冲产生研究中所采用的最长脉宽. 该方案中的合成脉冲等效于单一5 fs短脉冲的作用, 却克服了5 fs脉冲低输出能量导致的阿秒脉冲能量低的困难.
2012, 61 (14): 143401.
doi: 10.7498/aps.61.143401
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利用BBK理论及其修正模型,计算了入射能64.6 eV、 不同枪角情况下,电子碰撞电离氦原子(e, 2e)反应的三重微分散射截面. 分析了曲线结构,对其内部碰撞机制进行了详细的研究和探讨.结果表明: 在非共面几何条件下,碰撞微分截面上所呈现出来的特征是由多种效应共同作用所决定的, 随着条件的不同而相互转化.且在垂直入射几何条件下,末通道存在着极强的动力学屏蔽.
2012, 61 (14): 143601.
doi: 10.7498/aps.61.143601
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利用LAMMPS程序研究了氢原子团簇在飞秒强激光场下的动力学行为, 讨论了引起小氢原子团簇各向异性膨胀的原因.通过对外电离过程中团簇内部电子的行为以及团簇各个方向上最外层质子距离团簇中心的距离随时间的变化情况的分析, 发现团簇的膨胀呈现各向异性,且引起这种各向异性的根源在于团簇内部电子的抖动以及逃逸.对氢原子团簇与强激光场相互作用过程中质子各能量分量以及各向异性程度随时间变化情况进行了研究,发现各向异性程度是随时间变化的, 这种各向异性程度首先随着激光电场的增强而增加,随后又逐渐减小,直到最后趋于某一大于1的稳定值.分析了激光脉冲结束后质子的平均能量与观测角之间的关系, 并将分析结果与Ditmire小组的实验结果进行了比较,发现我们的模拟结果在定性上与实验相符合.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2012, 61 (14): 144101.
doi: 10.7498/aps.61.144101
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采用土壤介电常数的四成分模型和雪的介电常数模型分别表示实际的地面和雪层的介电特性, 应用指数型分布粗糙面模型和Monte Carlo方法模拟实际的粗糙地面, 运用时域有限差分方法研究了雪层覆盖的粗糙地面与上方矩形截面柱的复合电磁散射问题. 得出了复合电磁散射系数的角分布曲线, 计算了双站复合散射系数随土壤与雪层粗糙度参数、介电参数、 矩形截面柱几何参数、介电参数等的变化情况, 并做了详细分析与讨论. 得到了雪层覆盖的粗糙地面与上方矩形截面柱复合电磁散射特性.
2012, 61 (14): 144102.
doi: 10.7498/aps.61.144102
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利用高斯-谢尔光源模型理论与交叉谱密度函数在自由空间传输的规律, 研究了上海同步辐射装置波荡器光源(BL15U)的空间相干性; 讨论了预聚焦镜、单色器对光束空间相干性的影响;实验测量了单色光狭缝S2处光束的横向相干长度(Z方向). 理论计算表明, S2处光束的横向相干长度为66.5 μm,但实验测量结果为27 μm. 理论与实验相差较大的原因是由于S2上游光学元件预聚焦镜或单色器周期性高频振动导致了光束空间相干性的退化.实验结果表明,上海同步辐射装置波荡器光源已有较强的空间相干性, 可以满足微米尺度的硬X射线相干性实验.
2012, 61 (14): 144201.
doi: 10.7498/aps.61.144201
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提出了一种利用会聚透镜、轴棱锥等简单光学元件产生长距离近似无衍射光的新技术. 分别利用几何光学和衍射理论分析了该方法产生长距离近似无衍射光束的原理, 通过软件模拟了长距离近似无衍射光束的形成过程,得出了该光束在不同距离处的横向光强分布. 模拟结果显示该光束在较长距离处的横向光强分布满足Bessel分布. 从实验上获得了传播距离长达80 m、中心光斑发散角约为0.12 mrad的近似无衍射光束, 相比于国外学者最近的研究成果(Belyi et al. 2010 Opt. Exp. 18 1966)将传播距离延长了50多米,而光束发散角压缩了22倍.实验中, 对光束沿光轴传播时在不同距离处的光斑进行了拍摄,所得实验结果与理论分析基本符合.
2012, 61 (14): 144202.
doi: 10.7498/aps.61.144202
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激光在湍流大气中的传输有重要的理论研究和实际应用意义.以高斯-谢尔模型(GSM)光束作为部分空间相干光的典型例,基于非Kolmogorov谱和广义惠更斯-菲涅耳原理, 推导出GSM光束在非Kolmogorov湍流中的有效曲率半径的解析表达式. 重点研究了湍流参数(包括广义指数,内尺度l0,和外尺度L0) 和传输距离z分别对GSM光束有效曲率半径的影响.结果表明, 有效曲率半径Rx(z)随和z增加先减小然后再增大, 随L0的减小而增大(3.6 4),随l0的增加而增大.并对结果做了物理解释.
2012, 61 (14): 144203.
doi: 10.7498/aps.61.144203
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设计了一种由树叶状金属薄膜-介质层-金属薄膜构成的低剖面完美吸收器模型. 通过对金属介电性能采用Drude定理,仿真发现调节结构参数可在红外通讯频段几乎达到完美吸收 (吸收率为99.5%),并且在某些特定的结构参数下可以同时实现双频段的完美吸收 (其吸收率分别达到99.67%和97.13%),这在某种意义上展宽了吸收频带, 对红外吸收器的设计与应用极为有利.最后探索了叶颈宽度变化对双频吸收峰位置的影响, 以便对双峰吸收进行调频操作.这种红外频段的超材料吸收器具有结构简单、吸收效率极高、工作频段宽等优点.
2012, 61 (14): 144204.
doi: 10.7498/aps.61.144204
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利用脉冲红外热成像技术对碳纤维复合材料试件内部的模拟脱黏缺陷的深度进行测量, 研究在被测物热属性参数未知情况下,碳纤维增强塑料中缺陷深度的测量方法. 分析了平板材料在脉冲热源激励下的一维热传导模型;给出了内部缺陷深度的红外测量原理; 选用对数温度二阶微分峰值时刻作为特征时间测量缺陷深度; 考虑单点标定测量深度可能产生较大的随机误差,提出利用最小二乘法多项式拟合建立阶梯件中阶梯深度与其对应的对数温度时间二阶微分曲线峰值时间两者之间的标定关系式的方法, 选择在相对误差平方和最小情形下的拟合关系式作为脱黏缺陷深度测量的标定关系式. 实验结果表明,利用该方法测量脱黏缺陷深度的精度优于单点法标定测量结果, 实现了在被检测材料热属性参数未知的情况下仍能较准确地测量脱黏缺陷深度.
2012, 61 (14): 144205.
doi: 10.7498/aps.61.144205
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研究了在引入非相干抽运的情况下,循环跃迁的Δ型共振三能级系统中产生的无反转激光.利用主方程的方法, 导出了缀饰态中强相干场极限下布居数项和相干项的稳态近似解析解以及产生无反转激光所需要满足的条件;并利用数值模拟的方法讨论了布居数分布、 系统增益对探测场和相干场拉比频率的依赖性以及随时间的演化规律. 结果表明:无论各个参量取何值,共振Δ型三能级系统总是处于无粒子数反转的状态; 只要探测场或相干场之中有一个为强场,便可产生无反转激光; 当其中任意一个场远强于另一个场时,系统的无反转增益将不再依赖于任何一个场的拉比频率.
编辑推荐
2012, 61 (14): 144206.
doi: 10.7498/aps.61.144206
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采用改进的化学气相沉积法和气相液相混合掺杂技术制备大芯径掺镱石英光纤预制棒, 以此作为有源纤芯制备了纤芯直径约90 m的掺镱双包层光子晶体光纤, 纤芯组分为镱铝磷共掺.双包层光子晶体光纤的模场面积约1330 m2, 纤芯数值孔径0.065,包层数值孔径0.5.首次实现了国产掺镱光子晶体光纤的高功率高效率激光输出, 1 m长的光子晶体光纤激光器实现102 W 激光输出,斜率效率76%.
2012, 61 (14): 144207.
doi: 10.7498/aps.61.144207
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建立了受激布里渊散射介质中热作用破坏的物理模型, 数值模拟了杂质颗粒的温度随其半径的变化曲线.结果显示,杂质颗粒存在一个最大热作用半径, 介质所含颗粒的尺寸在此半径附近时,介质最容易发生光学击穿现象, 其光学击穿阈值最低.在Continuum Nd: YAG种子注入式激光系统中,选取FC-3283, GF-180和HFE-7100介质, 通过不同孔径的过滤膜进行过滤,并研究了过滤前后的光学击穿阈值和能量反射率. 结果表明,随着过滤孔径的变小,介质光学击穿阈值逐渐提高, 且过滤之后介质的能量反射率有了明显的提高.介绍了一种利用He-Ne激光透射光光斑变化来判断是否发生光学击穿现象的方法,该方法具有方便、 准确的特点,可有效地减小由于肉眼观测引起的误差.
2012, 61 (14): 144208.
doi: 10.7498/aps.61.144208
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光学元件上存在的缺陷会对传输光束产生局域振幅和位相调制. 基于衍射理论模型和分步傅里叶算法,模拟分析了高斯光束经过表面有缺陷的非线性介质的传输过程中于介质内及从介质出射后在自由空气的传输特性, 并详细研究了在厚介质前表面有缺陷的情况下,介质中和自由空气中的光强分布演化规律. 研究表明,介质厚度越长、介质的非线性折射率越大,光束整体聚焦越厉害, 聚焦点离介质后表面越近.光束受调制点的位置离中心越近,光束分裂成丝产生的局部光强越大, 且介质表面存在缺陷将使通过的光束在介质后表面处产生一个很大的光强, 相位调制型缺陷产生的这一光强点比振幅调制型缺陷产生的光强点更强.
2012, 61 (14): 144209.
doi: 10.7498/aps.61.144209
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利用固相反应法制备了Sr和Ba替代的Ca2.955-xMxSi2O7: 0.045Eu2+ (M= Sr, Ba, x= 0.10.5)系列荧光粉, 利用较大离子半径的Sr和Ba元素替代Eu掺杂Ca2.955-xMxSi2O7 中的Ca元素,研究Sr和Ba替代对样品结构和发光特性的影响. X射线衍射测试结果表明,少量Sr和Ba替代不会改变基质的晶体结构, 样品仍然为单斜晶系.未替代前, Ca2.955Si2O7: 0.045Eu2+ 样品的发射峰在574 nm左右,随着Sr含量的增加,样品的发射峰发生蓝移; 而Ba含量在x= 0.10.4时不会引起发射峰位置的移动, 但x= 0.5样品的发射峰发生蓝移.同等含量的Sr和Ba部分替代样品中的Ca元素, Ba替代样品的光谱强度较强.
2012, 61 (14): 144210.
doi: 10.7498/aps.61.144210
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通过外加驱动光场的调控改变腔中四能级原子介质的色散-吸收关系, 从而来调控反射光和透射光的Goos-Hnchen位移. 研究表明介质可同时对探测光场进行放大和吸收,在介质对探测光的吸收和放大相互抵消 (即介质呈现透明特性)的区域附近,对Goos-Hnchen位移的控制比强吸收或强放大特性下要灵敏, 可以实现位移的突变和增强.
2012, 61 (14): 144301.
doi: 10.7498/aps.61.144301
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针对超声在多层媒质中的传播特性,引入相位补偿因子并结合遗传算法, 提出了一种可对多层媒质进行声聚焦控制的方法.利用该方法对1616二维超声相控阵在多层生物媒质中的多焦点声场模式进行了仿真,计算了生物媒质不同厚度层和不同吸收系数时的声场. 结果表明:该方法能优化多焦点声场模式,抑制旁瓣,提高声场增益,将声强最大限度地聚焦在目标区域内; 改变生物组织不同层的厚度和不同层的吸收系数,焦点位置不发生变化,但焦域内的声强会有所变化.
2012, 61 (14): 144501.
doi: 10.7498/aps.61.144501
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通过设计行人行走倾向性调查实验,分析了行人的行走倾向性特征. 引入前进系数、右倾系数、超越系数以及影响修正系数等对元胞自动机(CA) 基本模型中的转移概率进行修正,建立了考虑行人行走倾向性特征的CA行人仿真模型. 针对该模型中的行人群体,依据k-近邻作用原理,构建行人复杂网络. 通过计算机仿真,揭示了行人流密度、速度和流量的关系以及仿真过程中出现的自组织现象.进一步分析仿真输出的行人流基本参数和行人复杂网络主要特征参数,发现对同一行人流,其平均速度和网络平均路径长度均随着行人流状态的改变而变化.最后, 通过平均路径长度和平均速度的数据拟合,得出两者之间存在着线性负相关关系的结论, 即具有较小网络平均路径长度的行人流具有较高的平均速度.
2012, 61 (14): 144502.
doi: 10.7498/aps.61.144502
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地铁站内多方向行人流以不同方式通过瓶颈时具有不同的效率,发生拥堵的机制也有所不同. 本文将地铁站内行人流的交织运动简化为连通双通道内两股行人通过瓶颈的情形. 采用推广的格子气模型,通过引入背景场,使改进的模型可以刻画地铁站内行人流的运动特征, 通过数值模拟研究了两股行人以两种不同方式经过研究区域的清空时间以及瓶颈宽度的影响. 研究发现,在模型中考虑行人沿对角线的运动可以更加准确地描述真实行人运动. 当瓶颈宽度小于临界宽度时,逆向交织的行人经过研究区域具有更高的效率, 验证了行人流实验的结果.此外还详细讨论了在瓶颈处发生拥堵的机理.
2012, 61 (14): 144601.
doi: 10.7498/aps.61.144601
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针对光纤通信和传感系统中高双折射、多零色散点的应用需求, 设计了一种新型结构的光子晶体光纤.该结构包层为圆形空气孔按照八边形形状排列而成, 并在内包层对称位置中加入两个椭圆空气孔以获得高双折射特性. 通过有限元数值分析方法对光纤特性进行分析,仿真结果表明,该结构光子晶体光纤在波长0.82 m 范围内双折射可达10-3量级,满足高双折射的应用需求,并且满足两个零色散点的应用需求. 同时光纤的非线性系数达10-2m-1W-1量级,可应用于对非线性要求较高的场合.
气体、等离子体和放电物理
2012, 61 (14): 145201.
doi: 10.7498/aps.61.145201
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等离子体驱动微小碎片加速器是地面模拟空间微小碎片超高速撞击实验的装置, 决定其加速效果的是加速器同轴枪内等离子体轴向速度. 采用发射光谱法研究等离子体轴向速度随放电电压和工作气体压强的变化关系. 实验结果揭示:轴向速度随着放电电压的增大线性增加,随工作气压的增大而缓慢减小, 与数值模拟结果符合.为进一步提高等离子体轴向速度,优化加速器提供了可靠依据.
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2012, 61 (14): 145202.
doi: 10.7498/aps.61.145202
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对微波放电产生的平板型表面波等离子体源进行了系统介绍,分析了表面波等离子体的工作原理, 探讨了维持表面波等离子体放电的能量吸收机制,介绍了由单模谐振腔阵列、 亚波长衍射光栅及开槽天线阵列组成的新型波模转换器.表面波等离子体的产生机理、实现途径、 参数特性和数值仿真等方面的研究进展及其所取得的成果,有利于促进新型表面波等离子体源走向产业化应用, 并促使微电子产业的功效取得新的突破.
2012, 61 (14): 145203.
doi: 10.7498/aps.61.145203
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在EAST全超导托卡马克归一化半径r/a 0.6区域内部, 在高功率低混杂波电流驱动辅助加热下,以及第一壁锂化处理条件下, 在低混杂波注入中期观测到电子温度剖面和离子温度剖面变平的现象. 利用X射线弯曲晶体光谱仪诊断系统,并结合其他相关诊断系统研究了在第一壁锂化条件下, 以及EAST低杂波放电位形下,电子温度剖面和离子温度的剖面行为. 研究结果表明:电子温度剖面和离子温度剖面变平的现象是由于第一壁锂化处理技术对从等离子体边界流向第一壁的粒子流产生了影响,使得边界粒子再循环模式受到抑制, 这种低再循环模式的存在引起了温度剖面的变化.同时观察到离子温度和电子温度彼此接近的现象, 这是由于随着等离子体密度的增加,电子与离子之间的碰撞行为加剧所产生的结果.
2012, 61 (14): 145204.
doi: 10.7498/aps.61.145204
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获得能量增益实现点火是目前激光惯性约束聚变领域研究的主要方向和标志性成果. 在点火靶的设计中有多种可能的候选靶丸,包括碳氢掺杂锗、铍掺杂铜、聚酰亚胺、 碳化硼和金刚石靶丸,其中碳氢和铍靶丸是最主要的候选靶丸.文中主要总结了几种候选靶丸的优缺点及目前研制现状.在国外,碳氢靶丸是目前点火靶的首选靶丸. 与铍靶丸相比,不存在明显的微结构缺陷,制备较容易;靶丸光学透明, 适宜于燃料分层和表征;靶丸在制备上更容易达到点火靶要求. 美国的碳氢点火靶靶丸基本达到了设计要求,这些要求包括几何尺寸、壳层密度、 壳层缺陷、表面光洁度、掺杂水平和杂质含量等.我国的点火靶靶丸研究还处在起步阶段.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2012, 61 (14): 146101.
doi: 10.7498/aps.61.146101
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采用分子动力学方法和镶嵌原子势,模拟了500个Cu原子(简称Cu500) 组成的纳米颗粒的等温晶化过程.利用修正的均方位移、键对分析技术和内在结构(IS) 等方法对该过程中的结构和动力学行为进行分析研究.结果显示:与块体金属不同的是, Cu500纳米颗粒在某一温度保温时,其晶化时间并不是一个定值, 而是存在一个统计分布,并且保温温度越低其晶化时间的分布范围越广, 最长晶化时间越长.在低温晶化时, Cu500经历了一系列中间构型的转变才达到晶态, 表现出多步晶化的特征.文章作者研究了颗粒的初始构型对晶化进程的影响, 发现颗粒的初始结构特征和能量状态对其随后的晶化过程有着重要的影响, 同一温度下,颗粒初始构型的IS能量越低其晶化时间越长,这一点在低温时尤其明显.
2012, 61 (14): 146102.
doi: 10.7498/aps.61.146102
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采用拉伸分子动力学方法研究了单壁碳纳米管(8, 8)在室温下从硅基板上被剥离的过程.当碳纳米管(CNT)在硅基底上被剥离时, 剥离距离和理想弹簧所测平均剥离力之间呈现一定规律的关系曲线,并出现了较大的正、负峰值. 比较了不同剥离速度下的平均剥离力,并拟合了其峰值与速度的关系. 拉伸分子动力学模拟结果显示,所需剥离力的最大值与速度之间呈现一定的线性关系, 模拟结果同生物物理学上类似的剥离实验结果符合较好,但相比于高分子, CNT和硅(Si)组成的界面吸附性能更强.讨论了碳纳米管长度、 半径及缺陷对剥离过程的影响,研究表明:所需最大的剥离力与CNT的长度无关, 但随CNT半径的增加,需要的最大剥离力线性增加; 5-7-7-5缺陷对剥离力最大值影响较小,而半径变化缺陷会削减最大剥离力. 在原子尺度对未来的试验进行了理论预测,为碳纳米管在硅微电子工业中的应用提供了理论基础.
2012, 61 (14): 146301.
doi: 10.7498/aps.61.146301
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采用第一原理方法计算了高压下金属Ba的三个高压相 Ba-I, Ba-Ⅱ和Ba-V的稳定性及热动力学性质.结果表明, Ba的三个高压相在0 K时在其压力范围内都是动力学和力学稳定的;但随压力增加, Ba-I 和Ba-Ⅱ 的声子谱频率出现异常"软化",而Ba-V则出现"硬化".虽然 Ba-Ⅱ 和 Ba-V 同为六方密堆(hcp)结构,计算表明它们在高压下表现出了不同的弹性各向异性.计算同时发现 Ba-Ⅱ 在更高的压力下仍满足力学稳定条件,但声子谱有虚频存在, 表明动力学失稳是Ba-Ⅱ在压力下向Ba-I!V相转变的原因. 计算和比较了同为六方密堆(hcp)结构的Ba-Ⅱ和Ba-V在高压下的声速、 德拜温度、体模量、剪切模量等力学和热学性质, 展现了金属Ba在压力下的稳定机制和热动力学性质.
2012, 61 (14): 146401.
doi: 10.7498/aps.61.146401
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采用晶体相场模型,模拟了有色噪声诱发的均质形核过程. 结果表明,噪声强度在一定范围内对系统平衡热力学参量、形核势垒、临界晶核尺寸影响甚微; 而对形核孕育时间影响较大,形核孕育时间随噪声强度的增大呈指数减小趋势. 进一步分析表明,噪声对形核孕育时间的影响主要是由于噪声的引入改变了原子动力学系数.
2012, 61 (14): 146801.
doi: 10.7498/aps.61.146801
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提出了纳米颗粒水基分散液的力学-化学双重减阻机制,并通过对比岩心切片吸附纳米颗粒前后以及冲刷前后的表面微结构、润湿性的变化,进行了实验验证. 研究结果表明,经纳米颗粒水基分散液处理之后的岩心切片表面表现为强亲水性, 并且存在一层致密的纳米颗粒吸附层;冲刷之后岩心切片表面的纳米颗粒吸附层依然存在, 但其表面已逐渐转变为强/超疏水性,反映了纳米颗粒吸附层表面的表面活性剂被逐渐清洗干净. 注水初期,主要表现为表面活性剂的化学减阻作用.随着注水过程的进行, 主要体现为以疏水表面的滑移效应为主的力学减阻机制.岩心驱替实验结果表明, 纳米颗粒水基分散液驱替后的岩心的水相渗透率平均提高幅度达84.3%, 减阻效果显著,证实了纳米颗粒水基分散液的力学-化学双重减阻机制.
2012, 61 (14): 146802.
doi: 10.7498/aps.61.146802
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使用巨正则蒙特卡罗方法研究了CH4分子在MOR和MFI分子筛中的物理吸附行为, 主要对比研究了这两种分子筛对CH4分子在不同温度和压强下的物理吸附量、等量吸附热、 分子筛和CH4以及CH4和CH4分子之间的相互作用能等物理量. 研究结果表明:在所有的温度和压力下, MOR分子筛对CH4分子的吸附性能均优于相应的MFI分子筛, 这表明它是一种比MFI吸附性能更优异的吸附剂材料.从CH4在这两种分子筛中的等量吸附热随吸附量的变化关系,分子筛和CH4以及CH4和CH4之间的相互作用能分布曲线等角度出发分析了二者有不同吸附行为的原因.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2012, 61 (14): 147101.
doi: 10.7498/aps.61.147101
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基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了掺杂和非掺杂AlN体系的晶格参数、 能带结构、总体态密度、分波态密度、差分电荷分布及电荷集居数.计算结果表明: Be掺杂AlN晶体能够在能隙中形成深受主能级,空穴载流子局域于价带顶, 而引入了激活施主O原子的Be, O共掺杂方法,能使受主能带变宽、非局域化特征明显. 同时,受主能级向低能方向移动,形成了浅受主能级, 从而提高了Be原子的掺杂浓度和系统的稳定性. Be, O共掺杂更有利于获得p型AlN.
2012, 61 (14): 147301.
doi: 10.7498/aps.61.147301
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采用两线测量模式对固相烧结方法制备的Nd1-xAxMnO3 (A= Ba, Ca, Sr,x= 00.9) 陶瓷样品电脉冲诱导电阻转变(EPIR)效应和I-V特性进行了测量. 结果表明, 与Nd0.7Sr0.3MnO3一样, 相同浓度掺杂的Nd0.7Ba0.3MnO3和Nd0.7Ca0.3MnO3 样品也能诱发稳定的室温EPIR效应. 进一步对Nd1-xSrxMnO3系列样品的EPIR研究表明, 这种界面相关的EPIR效应与样品中电子或空穴掺杂浓度密切相关, 在半掺杂 (x= 0.5)附近, 样品与电极接触界面能诱发稳定的EPIR效应. 然而, 随掺杂浓度的进一步增大或降低, EPIR效应逐渐出现减弱、不明显到完全消失的过程. 产生这种现象的原因可能与锰氧化物中由于掺杂浓度差异所导致的界面缺陷在不同极性脉冲激励下重新分布而产生的内电场强弱有关.
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2012, 61 (14): 147302.
doi: 10.7498/aps.61.147302
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电阻式核磁共振(RDNMR)测量是1988年由德国马普所的von Klitzing研究小组针对GaAs二维电子气中少量核自旋的探测而提出的一种具有超高灵敏度的实验技术. 目前, RDNMR已经成为研究单层或双层GaAs二维电子气核自旋和电子自旋特性的重要手段. 由于为实现电阻式核磁共振测量所建立的动态核极化方法强烈依赖于GaAs特有的材料属性, 至今这一技术一直没有扩展应用到其他半导体低维系统中. 最近,本研究小组发展了一种动态核极化新方法,成功实现了对典型窄带半导体锑化铟(InSb) 二维电子气的电阻式核磁共振测量.本文在介绍电阻式核磁共振测量工作原理及已建立的典型动态核极化方法的基础上,着重讨论所提出的动态核极化新方法的机理、 实验结果以及对今后研究的展望.
2012, 61 (14): 147303.
doi: 10.7498/aps.61.147303
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随着能源危机的加剧,太阳能电池作为开发和利用太阳能的一种普遍形式, 日益受到世界各国的重视.随着太阳能电池向着高效率、薄膜化、无毒性和原材料丰富的方向发展, 单纯的硅系太阳能电池已经无法达到这样的要求,因此新的材料和工艺的开发利用迫在眉睫. 本文研究了碳材料在硅异质节上实现光伏效应的改善及其可能在太阳能电池上的应用. 采用脉冲激光沉积方法制备的Co2-C98/Al2O3/Si异质结构在标准日光照射 (AM1.5, 100 mW/cm2)条件下,可获得0.447 V的开路电压和18.75 mA/cm2的电流密度, 转换效率可达3.27%.通过电容电压特性和暗条件下的电输运性能测量, 证明了氧化铝层的引入不但对单晶硅的表面起到了物理钝化作用,减小了反向漏电流, 使异质结界面缺陷、界面能级和复合中心减少,还起到了场效应钝化作用, 增加了异质结界面的势垒高度,增加了开路电压,使异质结的光伏效应显著增强.
2012, 61 (14): 147304.
doi: 10.7498/aps.61.147304
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基于多种实验手段和能带计算的方法, 对四元合金Fe2Co1-xCrxSi的晶体结构、 磁性、输运性质及能带结构进行了研究. 研究发现, 随着Cr的增加, 合金Fe2Co1-xCrxSi保持了高度有序结构, 逐渐从Hg2CuTi结构的Fe2CoSi 过渡到L21结构的Fe2CrSi; 由于次晶格网络的破坏, 居里温度逐渐下降; 系列合金的分子磁矩呈现线性下降, 符合半金属特性; 剩余电阻比率与原子占位有序程度密切相关, 呈现两端大、 中间小的特点. 在Cr替代Co的过程中, 材料半金属能隙逐渐打开, 表现半金属特征. 同时费米能级从Fe2CoSi半金属能隙的价带顶上移至Fe2CrSi能隙的导带底. 最大的能隙宽度出现在x= 0.75处, 这表明四元合金有可能成为具有更高自旋极化率和更强抗干扰能力的自旋电子学材料.
2012, 61 (14): 147801.
doi: 10.7498/aps.61.147801
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材料的迁移率是其关键电学特性之一.有机材料迁移率的研究对于有机电致发光器件、 有机太阳电池、有机薄膜场效应晶体管性能的提高有重要的意义. 应用简单易行的空间电荷限制电流方法,对基于三(8-羟基喹啉)铝(Alq3) 的四种单载流子器件电流密度-电压曲线特性进行研究, 根据空间电荷限制电流模型,拟合出Alq3材料在四种器件中的零场电子迁移率和电场依赖因子,并且给出Alq3电子迁移率随外加偏压的变化趋势. 实验结果表明,顶电极铝蒸镀到缓冲层氟化锂(1 nm)和Alq3 (100 nm)的表面后, 可以明显改善Alq3的零场迁移率和电场依赖因子. 认为产生这种现象的原因是氟化锂可以使铝和Alq3发生络合反应, 形成Li+1Alq-1粒子,形成良好的欧姆接触,使得电子的注入效率大大提高.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2012, 61 (14): 148101.
doi: 10.7498/aps.61.148101
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采用高分辨透射电镜、紫外和可见光Raman光谱及循环伏安法研究了1000 ℃下退火不同时间的硼掺杂纳米金刚石薄膜的微结构和电化学性能. 结果表明,随退火时间的延长,薄膜中纳米金刚石晶粒尺寸逐渐减小.当退火时间为0.5 h时, 金刚石晶粒尺寸由未退火样品的约15 nm减小为约8 nm, 金刚石相含量增加;当退火时间为2.0 h时,金刚石晶粒减小为23 nm, 此时晶界增多,金刚石相含量减少;退火时间为2.5 h时纳米金刚石晶粒尺寸和金刚石相含量又略有上升.晶粒尺寸和金刚石相含量的变化表明薄膜在退火过程中发生了金刚石和非晶碳相的相互转变.可见光Raman光谱测试结果表明,不同退火时间下, G峰位置变化趋势与ID/IG值变化一致,说明薄膜内sp2碳团簇较大时, 非晶石墨相的有序化程度较高.退火0.5, 1.0, 1.5和2.0 h时, 电极表面进行准可逆电化学反应,而未退火和退火时间为2.5 h时电极表面进行不可逆电化学反应.退火有利于提高薄膜电极的传质效率, 退火0.5 h时薄膜电极的传质效率最高,催化氧化性能最好.较小的晶粒尺寸、 较高的金刚石相含量以及纳米金刚石晶粒的均匀分布有利于提高电极表面反应的可逆性和催化氧化性能.
2012, 61 (14): 148102.
doi: 10.7498/aps.61.148102
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表面织构是一种有效降低表面反射率、提高硅基太阳能电池效率的方法. 采用等离子体浸没离子注入的方法制备了黑硅抗反射层.分别通过原子力显微镜和紫外-可见-近红外分光光度计对黑硅样品表面形貌和反射率进行分析, 结果发现黑硅样品表面布满了高度为0550 nm的山峰状结构, 结构层中硅体积分数和折射率随抗反射层厚度增加而连续降低. 在3001000 nm波段范围内,黑硅样品的加权平均反射率低至6.0%. 通过传递矩阵方法对黑硅样品反射谱进行模拟,得到的反射谱与实测反射谱非常符合.
2012, 61 (14): 148103.
doi: 10.7498/aps.61.148103
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对于大功率盘型激光焊,金属焊件表面在激光束辐射下强烈汽化并形成等离子体状的金属蒸汽羽状物. 该金属蒸汽羽状物可逆向激光束传输,对激光有明显的屏蔽作用, 降低激光辐射至焊件的能量密度,影响焊接效率和质量. 因此研究金属蒸汽特征变化规律及其与焊接质量之间的关联 ,可实现由金属蒸汽特征实时监测激光焊接状态. 以10 kW大功率盘型连续激光焊接304不锈钢钢板为试验对象, 应用高速摄像机摄取金属蒸汽动态图像,将其转换至色调-色饱和度-亮度空间, 提取金属蒸汽面积、激光束受影响路径长度等相关特征量, 以焊缝熔宽的变化作为衡量焊接状态稳定性的参数. 通过金属蒸汽特征值的均值统计和方差分析,试验证明根据金属蒸汽面积和激光束受影响路径长度等金属蒸汽特征可有效地反映熔宽质量, 从而对焊接状况做出动态评估.
2012, 61 (14): 148104.
doi: 10.7498/aps.61.148104
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采用丁二腈-丙酮透明模型合金研究了不同晶体取向的晶粒在定向凝固条件下的平界面失稳过程.实验选择了三个界面失稳后具有不同生长形态的典型晶粒作为研究对象, 分别为择优生长枝晶、倾斜枝晶和海藻晶.结果表明可发展为择优生长枝晶的晶粒的平界面失稳孕育时间和初始扰动波长最小,海藻晶次之, 倾斜枝晶最大,这与以往的解析结果和相场模拟结果一致. 同时,实验观察发现可发展为择优生长枝晶和倾斜枝晶的晶粒的界面非稳态演化过程与海藻晶显著不同,这表明平界面失稳的非稳态演化过程与晶体取向相关.
2012, 61 (14): 148105.
doi: 10.7498/aps.61.148105
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利用密度泛函理论的平面波赝势方法研究了IrTi合金的晶格动力学行为. 声子谱计算表明四方(L10)结构动力学不稳定,通过冷冻不稳定声子模式, 发现IrTi会发生从四方(L10)到正交的结构相变.进一步分析软模对应的原子振动, 得到了具有正交对称性,空间群为Cmmm,相对于四方(L10)相能量更低、更稳定的结构. 这种正交新相(Cmmm)弹性稳定和动力学稳定,而且其结构参数与实验上观察到的低温结构有限的晶格参数相符合,表明IrTi合金的低温相是正交结构(Cmmm). 从理论上肯定了IrTi合金立方到四方再到正交的相变机制, 解决了实验上关于相变机制和低温相结构形式的争议.
2012, 61 (14): 148106.
doi: 10.7498/aps.61.148106
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采用等离子体增强化学气相沉积技术,以SiH4作为硅源, NH3和N2共同作为氮源,在单晶硅衬底上制备了不同的氮化硅薄膜. X射线衍射分析薄膜晶体结构,通过计算晶格尺寸大小证明了纳米硅颗粒的存在. 傅里叶变换红外光谱分析了薄膜中的键合作用的变化并结合化学反应过程对氮化硅薄膜中纳米硅颗粒的形成机制进行了研究,发现SiSi键作为硅纳米颗粒的初始位置, 当反应朝着生成SiSi的方向进行时,可以促进氮化硅薄膜中硅纳米颗粒的形成. X射线衍射分析和光致发光实验结果表明SiSi键浓度增大时, 所形成的纳米硅颗粒的尺寸和浓度都随之增大.
2012, 61 (14): 148201.
doi: 10.7498/aps.61.148201
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凝胶推进剂虽然兼具有液体推进剂流量可控和固体推进剂长期可储存等优点, 但凝胶喷雾液滴蒸发燃烧问题却一直困扰着凝胶推进剂研制及燃烧室设计工作, 阻碍了凝胶推进剂实际工程应用.设计实现了凝胶单液滴蒸发燃烧实验系统, 通过某型有机凝胶偏二甲肼(UDMH)单液滴在四氧化二氮蒸气中的蒸发燃烧实验现象, 进一步深入分析了凝胶液滴蒸发燃烧机理.根据实验中凝胶单液滴在不同阶段的蒸发特性, 建立了有机凝胶喷雾液滴在胶凝剂膜形成、膨胀、破裂三个不同蒸发阶段的多组分蒸发模型, 采用初步选定的模型参数及物性参数对凝胶单液滴在高温气体环境中的蒸发全过程进行了仿真计算, 并与常规液体液滴的仿真结果进行了对比分析.结果表明,凝胶喷雾液滴表面胶凝剂含量在蒸发初期增加比较缓慢, 但在某临界时刻后的极短时间内迅速升高至形成胶凝剂膜的质量分数95%, 导致表面质量流率迅速下降至0,表面温度则快速上升至UDMH推进剂沸点.胶凝剂膜形成后, 液滴半径及表面UDMH蒸气质量分数出现了实验现象中凝胶液滴反复膨胀-破裂的震荡现象, 液滴表面温度维持在略高于沸点的某温度范围内,凝胶液滴内部的沸腾蒸发明显强于液体液滴表面稳态蒸发流率, 使得凝胶喷雾液滴生存时间小于常规液体液滴.
2012, 61 (14): 148401.
doi: 10.7498/aps.61.148401
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利用局部伽辽金矩量法,建立了电子注空间电荷场的2.5维计算模型. 将空间电荷场在径向展开为各个模式的叠加,利用伽辽金级数表示,通过求解其系数方程组, 最终求得空间电荷场.利用本文的模型,计算分析了电子注空间电荷场的特性, 并研究了模型中仿真参量对空间电荷场计算结果的影响.本文的空间电荷场计算模型利用粒子模拟基本方法, 可以应用到速调管注波互作用计算模型中.
2012, 61 (14): 148402.
doi: 10.7498/aps.61.148402
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提出了绿色认知无线电自适应参数调整问题模型,并提出了基于粒子群算法的调整方法, 通过仿真对所提方法性能进行了分析.结果表明不同服务质量(quality of service, QoS)要求情况下, 本文所提方法均能在满足QoS要求的前提下尽可能减少系统总的发射功率,从而达到了降低能量消耗的目的.
2012, 61 (14): 148403.
doi: 10.7498/aps.61.148403
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为了实现从合成孔径雷达(SAR)图像本身提取高精度的海面风向信息, 提高SAR海面风场反演精度,研究了多极化机载SAR海面风向反演技术, 借助小波分析相对傅里叶分析和局部梯度更精细的时-频分析能力, 将二维连续小波变换与快速傅里叶变换(FFT)相结合,提出一种新的机载SAR海面风向反演方法. 为验证反演方法的有效性,通过海上同步飞行试验获取多极化机载SAR数据及同步调查船实测风向数据,用于反演试验的数据比对.采用本文提出的方法, 利用多种小波基对机载C波段SAR的同极化和交叉极化数据进行风向反演, 将反演结果与美国国家环境预报中心再分析资料以及调查船实测风向进行比对. 结果表明,本文提出的基于小波分析的海面风向反演方法适用于机载SAR探测数据, 反演精度优于二维FFT法和局部梯度方法;小波基的选择对反演结果影响较大, Mexican-Hat小波基是机载SAR海面风向反演的最优小波基, 且同极化与交叉极化机载SAR数据均可用于海面风向的反演.
2012, 61 (14): 148404.
doi: 10.7498/aps.61.148404
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复杂的机载合成孔径雷达系统使得探测精度要求研究难以系统有效. 依据辐射定标精度在机载合成孔径雷达海面风场探测信息流程中的作用, 提出通过辐射定标精度要求整体考察系统探测精度要求的研究方法, 仿真研究了CMOD4地球物理模型函数的参数关系,系统地确定出不同入射角和风向条件下机载合成孔径雷达海面风场探测的辐射定标精度要求.研究结果表明, 辐射定标精度要求随着入射角的增加而降低,且随着风向变化呈周期性变化, 这一规律与CMOD4地球物理模型函数中由风速变化引起的后向散射截面变化值的变化规律一致. 依据这一规律,研究发现通过采用有源定标器定标、设计载机做侧风飞行以及选择大入射角的探测图像作为反演图像区这三种手段,能够提高风速反演精度.
2012, 61 (14): 148701.
doi: 10.7498/aps.61.148701
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内爆压缩过程中多层球壳靶丸变化规律的研究是惯性约束聚变的核心内容. 利用相衬成像技术可以提高低Z材料分界面成像衬度的特点在神光Ⅱ大型激光装置上开展了相关研究. 实验通过激光打Ti靶和针孔点背光的方式产生4.75 keV的X射线微点源, 针对内爆压缩过程中的靶丸样品投影成像获得了清晰的多层球壳靶丸图像, 空间分辨率优于10 μm.同时利用一维流体力学数值模拟程序分析了球壳运动的过程, 实验结果与数值模拟结果符合较好.表明了X射线相衬成像技术在高能量密度物理环境下仍然能够提高低Z材料分界面的衬度,获得高质量的物理图像,能够广泛应用于可控聚变能源、 天体物理等前沿科学领域.
2012, 61 (14): 148801.
doi: 10.7498/aps.61.148801
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采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了单个过渡金属钛原子吸附氢分子的物理机制. 研究表明,单个钛原子最多能吸附8对氢分子,吸附结构为对称的两个类金字塔型结构, 其平均吸附能为- 0.28 eV.通过计算轨道能级和差分电荷密度分布,分析决定吸附结构、 吸附能大小以及吸附氢分子数目的内在物理机制.研究表明,钛原子的4s电子转移到3d轨道上, 从而产生较强的极化电场,导致氢分子极化,钛原子通过静电极化作用吸附氢分子. 本文的研究将对设计高密度储氢材料有一定的指导作用.
2012, 61 (14): 148901.
doi: 10.7498/aps.61.148901
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提出了一种噪声环境下复杂网络拓扑估计方法, 仅利用含噪时间序列估计未知结构混沌系统的动力学方程和参数, 以及由混沌系统组成的复杂网络的拓扑结构、节点动力学方程、所有参数、 节点间耦合方向和耦合强度.通过采用动力学方程的统一形式, 将动力系统方程结构和参数估计看成线性回归问题的系数估计, 该估计问题利用贝叶斯压缩传感的信号重建算法求解, 含噪信号的模型重建使用相关向量机方法,即通过稀疏贝叶斯学习求解稀疏欠定线性方程得到上面提到的可估计对象.以单个Lorenz系统及由200个 Lorenz系统组成的无标度网络为例说明方法的有效性. 仿真结果表明,提出的方法对噪声有很强的鲁棒性,收敛速度快,稳态误差极小, 克服了最小二乘估计方法收敛速度慢、 稳态误差大以及压缩传感估计方法对噪声鲁棒性不强的缺点.
2012, 61 (14): 148902.
doi: 10.7498/aps.61.148902
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现实中的许多复杂网络呈现出明显的模块性或社团性.模块度是衡量社团结构划分优劣的效益函数, 它也通常被用作社团结构探测的目标函数,但最为广泛使用的Newman-Girvan模块度却存在着分辨率限制问题,多分辨率模块度也不能克服误合并社团和误分裂社团同时存在的缺陷. 本文在网络密度的基础上提出了多分辨率的密度模块度函数, 通过实验和分析证实了该函数能够使社团结构的误划分率显著降低, 而且能够体现出网络社团结构是一个有机整体,不是各个社团的简单相加.
地球物理学、天文学和天体物理学
2012, 61 (14): 149101.
doi: 10.7498/aps.61.149101
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应用Metravib热机械分析仪,以饱和岩石进行正弦波加载的方式, 分别对三种不同孔隙度的泵油饱和彭山砂岩、泵油和甘油饱和自贡长石砂岩进行了衰减实验研究,得到衰减的热弛豫规律.据此规律求得它们的激活能和原子振动频率, 其激活能和原子的振动频率比间隙原子的激活能和振动的频率低, 此现象用饱和砂岩中产生的缺陷原子簇的整体振动比单个或孤立的原子的振动频率低做出了解释. 在饱和岩石的晶粒间界缺陷处参与扩散的是固体原子、液体及气体原子. 并得出随孔隙度和黏滞系数增大,衰减强度和激活能增大,原子的振动频率增高,弛豫时间减小的结论. 在正弦波应力作用下,由多种矿物晶体胶结而成的饱和砂岩是一种多晶、多相的固体, 由于内部结构复杂、缺陷广布,产生弛豫衰减是普遍现象.砂岩中存在点缺陷、位错、 晶界及孪晶界面等许多缺陷及缺陷间的相互作用都可以产生弛豫型衰减峰. 用饱和砂岩中特有的饱和液体及砂岩内部结构的复杂性解释了饱和砂岩的衰减机理, 很自然地将其宏观衰减特征与微观结构紧密连在一起.饱和砂岩中的各种缺陷、 相界等会导致多重弛豫,使它们的弛豫衰减峰变宽,分布参数增大.这项研究既具有理论意义,也具有实用价值.
2012, 61 (14): 149201.
doi: 10.7498/aps.61.149201
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利用Linux系统中共享内存及进程间通信技术,将广泛应用于大气、海洋、 海浪研究的数值模式耦合,综合考虑了大气对海流和海浪的风力驱动、 海洋对大气下垫面的改变及海浪对海洋的浪致混合作用, 建立起高分辨率的中尺度台风模式.以一次台风过程为模拟背景, 对2006年的"格美"台风进行模拟,利用可得到的观测资料,对模拟结果进行验证. 结果表明:模式经过spin-up阶段后,基本能够模拟出实况台风强度的变化趋势, 中心最低气压、风速和路径的模拟与实况较为一致. 同时,对台风强风条件下的海面降温及海浪高度都有较为合理的再现. 模式误差的出现,与当前模式微物理过程参数化方案、大尺度初始场、 Bogus台风的构造及海洋模式中海洋上层物理参数化方案等相关.
2012, 61 (14): 149202.
doi: 10.7498/aps.61.149202
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传统观点认为C波段散射计工作波长大于雨滴直径,受降雨散射衰减的影响很小, 因此往往忽略降雨对C波段散射计测风的影响.本文基于降雨引起C波段散射计信号的衰减、 后向体散射及雨滴落入海面后的扰动作用,推导了降雨条件下的雷达方程, 构建了2010年全年的ASCAT散射计、降雨雷达和欧洲中期天气预报中心数值预报的匹配数据集, 定量分析了降雨对C波段散射计测风的影响,发现其信号衰减随降雨强度和入射角的增大而增强; 后向体散射和雨表面扰动作用随降雨强度的增大而增强、随入射角的增大而减小, 其中雨表面扰动作用对散射计测风的影响大于后向体散射.另外, 利用降雨条件下的雷达方程和匹配数据集,本文建立了降雨条件下的C波段主动微波辐射传输模型, 实验表明,该模型能够改善降雨条件下C波段散射计测风的精度.
2012, 61 (14): 149203.
doi: 10.7498/aps.61.149203
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经典四维变分同化(four dimensional variational data assimilation,简称4dvar)中认为模式是完美的, 而实际数值模式中存在的模式误差将对变分同化效果产生直接影响, 弱约束4dvar的提出为4dvar中考虑模式误差的影响提供了一种可行途径. 研究了基于模式误差控制变量的弱约束4dvar基本理论, 并在一维浅水方程组中对其同化效果及估计模式误差的有效性进行相关数值实验研究. 结果表明,在模式误差不可忽略的情况下,模式误差弱约束4dvar在整个区间 (包括同化区间和预报区间)上预报误差均比传统4dvar小, 在模式误差相对较大时改进效果更明显,具有明显优越性; 并且,模式误差弱约束4dvar能有效估计模式误差大小及分布形式.
2012, 61 (14): 149204.
doi: 10.7498/aps.61.149204
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针对相似动力预报中模式预报误差的估计问题,提出将模式误差的直接相似订正问题转化成模式误差主分量的相似预报问题.客观上将模式误差主分量分成可预报和不可预报两部分, 对于可预报主分量采用最优多因子动态配置方案进行相似预报, 而对于不可预报部分则用系统平均代替.基于国家气候中心季节预报业务模式、 美国气候预报中心组合降雨分析资料及国家气候中心气候系统诊断预报室74项环流指数和美国国家海洋和大气管理局的40个气候指数,对东北区域汛期降水进行了预报试验. 20052010年6年独立样本检验预报平均距平相关系数为0.29,较系统误差订正预报的0.04有较大提高, 证实该方案能提高国家气候中心季节预报业务模式汛期降水预报水平.
2012, 61 (14): 149205.
doi: 10.7498/aps.61.149205
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气候变化指数是目前有关气候变化研究领域的前沿课题, 国内外在气候变化研究领域存在着许多具体指数,但关于综合指数的研究却非常少见. 本文将基于温度和降水的单一要素指数的气候变化信息进行综合, 得到一个综合气候变化指数CCI (climate change index)以评估中国近50年来的气候变化及其区域敏感性.指数大小表征气候突变前后极端气候事件的频数之差, 反映该地区应对气候变化的能力,反映该地区对气候变化的敏感性. 通过该指数可以获得多种气候变化的相关信息,从而为更好地应对极端气候事件提供判断依据. 研究结果显示,内蒙古大部、东北中部、云南以及西北中部等地CCI指数较大, 说明这些地区相对于气候突变之前极端气候事件频发. 中国各个省份中的所有站点的CCI指数平均值表明,中国江南和西南东部对气候变化不敏感; 华北和东北地区极端气候事件频发.气候变化在高纬度地区和热带、 亚热带地区表现明显,北方和西南比较敏感,而黄河以南敏感性较弱, 沿海地区由于受季风及台风带来的强降水的影响, CCI指数相对偏大,敏感性较强.
2012, 61 (14): 149301.
doi: 10.7498/aps.61.149301
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从GPS掩星探测数据中反演的参数可同化入数值天气预报模式. 附加相位的计算精度受参考链电离层噪音及L2噪音影响, 在L2信号加密情况下噪音影响更为显著.为提高附加相位处理精度, 减少一般单差法(single difference, SD)从参考链传入掩星链的噪音,本文采用改进的单差法 (updated single difference, USD)计算大气附加相位.参考链数据采用组合频率LC观测数据, 并以一定时间窗口(2 s)做平滑处理,逐项考虑天线相位中心改正、 相对论效应改正等因素的影响.利用COSMIC掩星观测数据对上述方法进行了验证. 上升及下降典型掩星事件分析表明:USD计算的附加相位与 COSMIC官方发布的附加相位有很好的一致性;计算了全球分布的440次掩星事件附加相位, 结果表明USD法可明显改进附加相位平均偏差与标准差的分布, 证明了我们算法的可靠性. USD法可应用于风云三号气象卫星掩星仪器半无码跟踪L2得到的数据处理中.
2012, 61 (14): 149302.
doi: 10.7498/aps.61.149302
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核磁共振测井仪探头的优化设计能够增强仪器的探测特性,提高仪器的信噪比, 而探头设计中的数值方法对设计结果至关重要.本文利用电磁场有限元方法对贴井壁型核磁共振测井仪探头静磁场和射频场进行了2D和3D的数值模拟,深入分析了数值模型形状、模型尺寸、 单元形状对数值模拟结果的影响,并将有限元数值模拟结果与实测数据做了对比. 结果显示:数值模拟结果与实测数据符合.在设计核磁共振测井仪探头结构时, 选取与井眼形状一致的圆形模型,模型尺寸范围在1015倍探头外径, 并采用三角形单元可以有效提高数值模拟方法精度,增强优化设计结果的可靠性.
