物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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分立式与分布式光纤传感关键技术研究进展
刘铁根, 于哲, 江俊峰, 刘琨, 张学智, 丁振扬, 王双, 胡浩丰, 韩群, 张红霞, 李志宏
物理学报. 2017, 66 (7): 070705
爆轰加载下弹塑性固体Richtmyer-Meshkov流动的扰动增长规律
殷建伟, 潘昊, 吴子辉, 郝鹏程, 胡晓棉
物理学报. 2017, 66 (7): 074701
双势阱产生正负电子对过程中的正电子波干涉与克莱因隧穿现象
吴广智, 王强, 周沧涛, 傅立斌
物理学报. 2017, 66 (7): 070301
物理学报  
   物理学报--2017, 66 (7)   发布日期: 2017-04-05
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编者按:
        传感器技术近年来迅猛发展, 已经逐步成为当代科技发展水平的重要标志, 与通信技术、计算机技术并称信息产业三大支柱. 在传感器家族中, 光纤传感器以其体积小、重量轻、灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、耐恶劣环境、可多参量测量、易于集成, 可组成光纤传感网络并接入互联网的特点, 处于传感器技术发展的前沿, 现已广泛应用于航空航天、石油化工、电子电力、土木工程、生物医药等领域. 光纤传感技术的形式主要体现为分立式和分布式:分立式光纤传感技术利用光纤敏感器件作为传感器来感知被测量的变化, 光纤作为光信号的传输通道连接光源、光纤传感器及后端的解调装置;分布式光纤传感系统基于光纤瑞利散射、拉曼散射或布里渊散射等光学效应, 利用光纤本身作为敏感元, 可对沿途的光信号进行大范围、长距离传感.
        “光纤传感” 专题, 汇集了各类分立式与分布式光纤传感器的最新研究成果, 对其工作机理、关键器件设计等方面的创新研究和发展现状进行介绍. 希望通过对传统和各类新型光纤传感器的深入研究, 能够进一步推动光纤传感理论与技术的发展, 让光纤传感器在更多领域找到用武之地, 更好地服务国家建设, 改善人民生活, 保卫国家安全.

   (客座编辑: 天津大学 刘铁根; 北京大学 龚旗煌)

总论

双势阱产生正负电子对过程中的正电子波干涉与克莱因隧穿现象 Hot!
Positron wave interference and Klein tunnel during the production of pairs in the double-well potential

吴广智, 王强, 周沧涛, 傅立斌
物理学报. 2017, 66 (7): 070301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.070301
全文: [PDF 569 KB] 下载:(277)
摘要

通过将狄拉克场量子化并且数值求解狄拉克方程的方法研究在一维情况下双势阱激发正负电子对产生的过程.研究发现双势阱激发的正电子波在双势阱之间会出现干涉现象,过程中伴随着克莱因隧穿效应,并且在双势阱之间的距离取正电子波对应的驻波条件时,在双势阱之间会表现出驻波形式的正电子干涉波.并且驻波的出现对正负电子对的产生过程也存在相应的影响,驻波最终会通过克莱因隧穿效应衰减消失.

中纬度地区电离层偶发E层对量子卫星通信性能的影响
Influence of the ionospheric sporadic E layer on the performance of quantum satellite communication in the mid latitude region

聂敏, 唐守荣, 杨光, 张美玲, 裴昌幸
物理学报. 2017, 66 (7): 070302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.070302
全文: [PDF 562 KB] 下载:(166)
摘要

电离层偶发E层是指在距离地面高度80–150 km之间,在风剪切作用下,电子密度急剧增加的不规则电离薄层,它会对量子卫星光信号的传输造成极大的影响.然而,有关电离层偶发E层与星地间量子通信信道参数关系的研究,迄今尚未展开.为了研究偶发E层对量子卫星通信性能的影响,首先分析了它的形成过程,得出自由电子密度随高度变化的关系;然后建立了自由电子密度、偶发E层的厚度对量子卫星链路衰减的模型;针对振幅阻尼信道,给出自由电子密度对信道容量、纠缠保真度、误码率和安全密钥产生率的定量关系.理论分析和仿真结果表明,当偶发E层的厚度为1 km、电子密度由3×105 cm-1增加到27×105 cm-1时,信道容量由0.8304衰减到0.1319,纠缠保真度由0.9386下降到0.3606,量子误码率由0.0093增加到0.0769,安全密钥产生率由9.968×10-5减小到1.91×10-6.由此可见,电子密度的大小和偶发E层的厚度对量子卫星通信性能有显著的影响.因此,在进行量子卫星通信时,应根据对电离层参数的探测情况,自适应调整卫星系统的各项指标,以确保量子通信的可靠性.

基于递推-变换方法计算圆柱面网络的等效电阻及复阻抗
Calculation of the equivalent resistance and impedance of the cylindrical network based on recursion-transform method

谭志中, 张庆华
物理学报. 2017, 66 (7): 070501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.070501
全文: [PDF 427 KB] 下载:(153)
摘要

获得任意电阻网络等效电阻的解析解一直是科学和数学上的难题.本文采用递推-变换方法研究了一类任意m×n阶圆柱面网络的等效电阻及复阻抗问题.首先采用网络分析建立递推矩阵方程模型;其次构造对角化矩阵变换方法以便获得矩阵的特征值和特征向量,从而获得矩阵方程的通解;再次采用网络分析建立边界条件约束方程模型,进而获得矩阵方程的特解;最后利用矩阵逆变换给出支路电流的解析解,从而获得任意m×n阶圆柱面网络轴线上等效电阻的解析解,所得结果由特征根构成及单求和表达.作为公式的应用,给出了任意半无限和无限情形时的数个新的等效电阻公式,在与其他文献结论的对比研究中得到了一个有趣的新的三角函数恒等式.研究了圆柱面RLC网络的等效复阻抗问题,给出了精确的等效复阻抗公式.

γ-α相变中不同晶界特征下铁素体生长形貌的相场模拟
Phase-field modeling of ferrite morphology in austenite-to-ferrite transformation with considering anisotropic effects

张军, 陈文雄, 郑成武, 李殿中
物理学报. 2017, 66 (7): 070701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.070701
全文: [PDF 729 KB] 下载:(195)
摘要

利用多相场模型模拟了奥氏体(γ)-铁素体(α)相变过程中不同晶界特征下铁素体晶粒的形貌与生长动力学.模型中通过能量梯度系数和耦合项系数的协同变化定量表达晶界能与晶界迁移率的各向异性,同时固定相场界面宽度来保证计算精度.模拟结果显示:随着原奥氏体晶界能与铁素体-奥氏体晶界能比值σγγ/σαγ的增加,三叉相界面处的平衡角β减小,铁素体晶粒沿原奥氏体晶界与垂直于奥氏体晶界方向的生长速率差变大.铁素体与奥氏体晶粒间的晶粒取向越接近,铁素体生长越缓慢.模拟结果可描述铁素体晶粒生长形貌的多样性,与实验结果符合.

专题:光纤传感

基于酒精与磁流体填充的单模-空芯-单模光纤结构温度磁场双参数传感器
A modal interferometer based on single mode fiber-hollow core fiber-single mode fiber structure filled with alcohol and magnetic fluid for simultaneously measuring magnetic field and temperature

赵勇, 蔡露, 李雪刚, 吕日清
物理学报. 2017, 66 (7): 070601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.070601
全文: [PDF 1167 KB] 下载:(547)
摘要

提出了一种基于空芯光纤模间干涉原理的环境温度和磁场双参数传感器,为了使光入射进空芯光纤壁中,将空芯光纤与单模光纤错位熔接,传感部分用毛细玻璃管封装,空芯光纤内外分别填充酒精和磁流体.除了光纤材料的热光效应和热膨胀效应外,环境温度变化会引起两种溶液折射率的变化,而磁场变化仅引起空芯光纤外的磁流体折射率变化.理论计算可知空芯光纤壁中可支持多个模式传输并相互干涉,各模式传输相位对内外溶液折射率变化灵敏程度不同.因此,干涉谱中两个含有不同模式成分的波谷,即波谷1和波谷2,它们的漂移可以作为指示信号,通过建立敏感矩阵可同时解调出周围环境温度与磁场的变化.实验中,在28–58℃范围内,温度传感灵敏度可达-468 pm/℃;在0–169 Oe范围内磁场传感灵敏度可达82 pm/Oe.该传感器具有高灵敏度与高机械强度,并且能够实现温度与磁场的同时测量,有效消除了温度波动对磁场测量信号的干扰.

啁啾相移光纤光栅分布式应变与应变点精确定位传感研究
Phase shift chirped fiber Bragg grating based distributed strain and position sensing

裴丽, 吴良英, 王建帅, 李晶, 宁提纲
物理学报. 2017, 66 (7): 070702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.070702
全文: [PDF 1075 KB] 下载:(255)
摘要

利用啁啾相移光纤光栅狭缝的中心波长对应变点和应变量的波长敏感性,实现应变与应变点精确定位的传感.当啁啾光纤光栅上的某一位置产生微应变时,该应变点会产生相移,其频谱则会出现一个与之对应的狭缝,且狭缝的深度和中心波长与应变的大小和位置相关.当串接不同中心波长的啁啾光纤光栅后,即可实现一定范围内的分布式应变与应变点精确定位检测.本文通过V-I传输矩阵法建立了狭缝深度和中心波长关于应变量和应变位置的理论模型,分析结果表明理论上可以实现微米量级的精确定位.搭建了级联啁啾相移光纤光栅的分布式应变传感装置,实验获得的最大应变灵敏度为0.19pm/με.该精确定位传感装置在先进制造、精密加工、航空航天、铁路系统等高新技术领域具有重要的应用前景.

基于光纤微结构加工和敏感材料物理融合的光纤传感技术
Optical fiber sensing technologies based on femtosecond laser micromachining and sensitive films

王闵, 刘复飞, 周贤, 戴玉堂, 杨明红
物理学报. 2017, 66 (7): 070703      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.070703
全文: [PDF 592 KB] 下载:(362)
摘要

将功能敏感材料与光纤在物理层面进行有机融合,充分发挥光纤传感器在结构集成、材料集成等方面的优势,将有望发展新型的光纤传感器件和系统.本文综述了飞秒激光光纤微加工技术分别在标准的单模光纤和光纤光栅上制备微结构,再结合敏感材料制备技术,实现在物理层面上光纤传感器材料和结构的集成和融合,探索实现新型高性能的光纤传感新技术.

新型长周期光纤光栅的设计与研制进展
Recent progress in design and fabrication of novel long-period fiber grating

张伟刚, 张严昕, 耿鹏程, 王标, 李晓兰, 王松, 严铁毅
物理学报. 2017, 66 (7): 070704      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.070704
全文: [PDF 2909 KB] 下载:(289)
摘要

长周期光纤光栅(long-period fiber grating,LPFG)是一种宽带的透射型无源光子器件,在光纤通信和光纤传感领域应用广泛.本文从折射率空间调制的角度,根据栅格周期长短、折射率调制深度和栅面法线取向三个特征参数,对LPFG进行了分类并分析了其不足,定义了新型长周期光纤光栅(novel long-period fiber grating,NLPFG)概念并指出了其研究意义;阐述了典型的LPFG写制新技术,建立了NLPFG模型和设计理论;提出了NLPFG正、反向设计流程,阐述了NLPFG典型设计方法;综述了近年来NLPFG的研制及典型应用,展望了NLPFG研究的发展趋势.

分立式与分布式光纤传感关键技术研究进展 Hot!
Advances of some critical technologies in discrete and distributed optical fiber sensing research

刘铁根, 于哲, 江俊峰, 刘琨, 张学智, 丁振扬, 王双, 胡浩丰, 韩群, 张红霞, 李志宏
物理学报. 2017, 66 (7): 070705      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.070705
全文: [PDF 7408 KB] 下载:(991)
摘要

光纤传感技术已广泛应用于航空航天、石油化工、电子电力、土木工程、生物医药等领域,其技术形式主要体现为分立式和分布式.分立式光纤传感技术利用光纤敏感器件作为传感器来感知被测参量的变化,光纤作为光信号的传输通道连接光纤传感器及后端的解调装置;分布式光纤传感系统基于光纤瑞利散射、拉曼散射或布里渊散射等光学效应,利用光纤本身作为传感器,可对沿途的光信号进行大范围、长距离传感.本文介绍了分立式与分布式光纤传感中主要关键技术的研究进展,并对未来的研究和发展方向进行了探讨.

基于相干光时域反射型的光纤分布式声增敏传感研究
Research on improving detection sensitivity to acoustic based on coherent-OTDR distributed fiber-sensing system

陈文杰, 江俊峰, 刘琨, 王双, 马喆, 张晚琛, 刘铁根
物理学报. 2017, 66 (7): 070706      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.070706
全文: [PDF 683 KB] 下载:(259)
摘要

开展了基于相干光时域反射型的光纤分布式声增敏传感研究,提出了单端固定开口波纹薄筒光纤声增敏方法,建立了光纤声增敏装置波节间距、单波节轴向刚度、光纤长度等参数对光纤相位灵敏度的影响理论模型.制作了3种规格的光纤声增敏传感装置进行声传感实验.实验结果表明,声增敏传感装置相位灵敏度达到2.975 rad/Pa,最小声探测信号达到60.1 dB,3种规格的声增敏传感装置的灵敏度测试值与理论分析基本一致.研究结果为高灵敏度的光纤分布式声传感的进一步发展提供了理论和实验基础.

相位敏感型光时域反射传感系统光学背景噪声的产生机理及其抑制方法
The mechanism and suppression methods of optical background noise in phase-sensitive optical time domain reflectometry

张旭苹, 张益昕, 王峰, 单媛媛, 孙振鉷, 胡燕祝
物理学报. 2017, 66 (7): 070707      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.070707
全文: [PDF 1162 KB] 下载:(391)
摘要

相位敏感型光时域反射(Φ-OTDR)传感系统具有响应速度快、灵敏度高等优点,能够实现对微弱扰动的分布式检测,在重大设施的入侵警戒、大型工程结构的健康监测等领域具有广阔应用前景.然而,与传统的OTDR传感系统不同,Φ-OTDR系统中存在着激光器中心频率漂移、偏振相关的噪声、光纤应变与干涉强度非线性对应关系引起的测量失真等光学背景噪声,对有效信号的提取形成了不可忽视的干扰,从而限制了Φ-OTDR传感系统在实际应用环境下的传感性能.本文对这些光学背景噪声的产生机理进行了深入分析,并提出了相应的噪声抑制方法.实验结果表明,本文提出的方法可以有效抑制Φ-OTDR传感系统中的光学背景噪声,并显著提高传感系统性能.

光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感技术研究进展
Research progress of in-fiber Fabry-Perot interferometric temperature and pressure sensors

李自亮, 廖常锐, 刘申, 王义平
物理学报. 2017, 66 (7): 070708      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.070708
全文: [PDF 2002 KB] 下载:(787)
摘要

光纤法布里-珀罗干涉温度和压力传感器具有灵敏度高、制作简单、成本低、体积小和抗电磁干扰能力强等优点,已被广泛应用于军事和民用领域.在某些环境恶劣,如具有强电磁干扰和腐蚀性,或提供给传感器的安装空间非常有限的特殊工业领域,微型光纤温度和压力传感器发挥着重要的作用,国内外诸多高校、科研院所都在对其进行研究.本文综述了光纤法布里-珀罗干涉仪的基本原理、制备技术、及其压力和温度传感应用的研究进展.详细介绍了湿法化学腐蚀制备法、电弧放电制备法、飞秒激光制备法、聚合物辅助制备法等常见光纤法布里-珀罗腔传感器的制作工艺,分析了不同制作工艺的优缺点;详细介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪在温度传感、压力传感和温压一体传感领域的应用;最后对光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感器的发展进行了总结和展望.

基于全相位滤波技术的光纤表面等离子体共振传感解调算法
Optical fiber SPR sensing demodulation algorithm based on all-phase filters

曹玉珍, 马金英, 刘琨, 黄翔东, 江俊峰, 王涛, 薛萌, 刘铁根
物理学报. 2017, 66 (7): 074202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.074202
全文: [PDF 503 KB] 下载:(194)
摘要

基于生物样品检测对折射率传感的迫切需求,构建一种全光纤表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)系统,并针对其设计了基于全相位滤波技术的SPR特征波长传感解调算法.基于系统仿真,理论计算了光纤SPR传感器的折射率传感灵敏度.采用全相位滤波技术提取光纤SPR传感器透射光谱的特征波长,理论推导了全相位滤波器的解析表达式.实验结果表明,使用本算法的光纤SPR传感器折射率传感灵敏度为1640.4 nm/RIU,折射率检测的分辨率是7.36×10-4 RIU,与传统方法相比,有效提高了系统的检测精度和抗光源扰动性能,降低了实验成本.

光纤超声传感器及应用研究进展
Fiber-optic ultrasonic sensors and applications

乔学光, 邵志华, 包维佳, 荣强周
物理学报. 2017, 66 (7): 074205      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.074205
全文: [PDF 2063 KB] 下载:(1172)
摘要

光纤超声传感器通过检测光纤内传输光的强度、波长、相位、偏振态等参数感知超声波的相关信息.相比于传统的电类超声换能器,光纤超声传感器能够实现宽频带超声波信号的高灵敏探测,且其良好的抗干扰能力和复用性,可有效地提高超声波探测的可靠性和效率,在水下国防安全、生物成像、无损探伤、地震物理模型成像等领域具有巨大的应用潜力.目前,按照传感结构,光纤超声传感器可分为光纤强度调制型、光纤干涉型和光纤光栅型,并在不同方面发挥着各自的优势,均受到关注.本文主要综述了这几种传感器的传感机理、实现方法、发展现状,总结了光纤超声传感器的几个应用领域及面临的科学技术挑战,重点讨论了光纤超声传感器作为一种新技术应用于地震物理模型成像.

基于分光光度法痕量重金属传感模型和影响因素的研究
Study on the influence factors of the concentration of heavy metals by spectrophotometry

毕卫红, 陈俊刚, 张胜, 于腾飞, 张燕君, 侯旭涛
物理学报. 2017, 66 (7): 074206      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.074206
全文: [PDF 461 KB] 下载:(164)
摘要

对近海和河流水中含量较高、污染较重的可溶态重金属镉(Cd2+)、铜(Cu2+),锌(Zn2+)、镍(Ni2+)等的同时测量方法进行研究,研究四种参量各自的特征谱与吸光度的特点及四种参量互相影响时其浓度与特征波长总吸光度间的数学模型;重点研究四种离子同时传感测量时,不同pH值、温度、时间、显色剂量等因素对金属离子浓度测量值的影响,并通过实验给出影响规律.

长距离分布式光纤传感技术研究进展
Recent progress in ultra-long distributed fiber-optic sensing

饶云江
物理学报. 2017, 66 (7): 074207      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.074207
全文: [PDF 1491 KB] 下载:(904)
摘要

分布式光纤传感技术是光纤传感领域的重要组成部分,具有以下突出优势:无需在光纤上制作传感器,传感光纤集传感与传输于一体,可实现远距离、大范围的传感与组网;可连续感知光纤传输路径上每一点的温度、应变、振动等物理参量的空间分布和变化信息,单根光纤上能获得多达数万点的传感信息.由于在长距离连续传感方面具有不可替代的优势,分布式光纤传感技术在周界安防、石油电力、大型结构等领域的安全监控方面具有非常广阔的应用前景.本文主要介绍电子科技大学光纤传感与器件研究团队在长距离分布式光纤静(布里渊光时域分析仪)、动(相位敏感型光时域反射仪)态参量传感技术取得的研究进展,包括基础与应用研究两个方面.

面向地壳形变观测的超高分辨率光纤应变传感系统
Ultrahigh resolution fiber optic strain sensing system for crustal deformation observation

何祖源, 刘庆文, 陈嘉庚
物理学报. 2017, 66 (7): 074208      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.074208
全文: [PDF 897 KB] 下载:(254)
摘要

高分辨率光纤应变传感系统是地球物理学中地壳微弱形变观测的有力工具.相比于传统的地壳应变观测技术,光纤应变传感器具有测量分辨率高、抗干扰能力强、尺寸小、可复用、易于安装布设等特性,在建立新型地壳形变监测网络中具有很大的应用潜力.本文围绕面向地壳形变观测的纳应变级分辨率光纤应变传感器技术,阐述了应变传感原理与实现超高测量分辨率的机理,并详细介绍了扫频探测、Pound-Drever-Hall解调技术、边带探测、双回路锁定传感、传感器时分复用等技术及相应的传感器系统实现方案,最后,给出了超高分辨率光纤传感器在现场观测的实验结果与分析.

保偏微纳光纤倏逝场传感器
Polarization-maintaining microfiber-based evanescent-wave sensors

李杰, 李蒙蒙, 孙立朋, 范鹏程, 冉洋, 金龙, 关柏鸥
物理学报. 2017, 66 (7): 074209      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.074209
全文: [PDF 2146 KB] 下载:(457)
摘要

近年来,保偏微纳光纤以其高双折射特性和强倏逝场效应引起了研究者的关注.本文从保偏微纳光纤的结构类型、制备方法和模式双折射特性等出发,介绍了目前不同类型保偏微纳光纤倏逝场传感器的构造特征与实现方法,利用保偏微纳光纤在两个垂直偏振方向的倏逝场对外界的不同响应,可制成偏振相关的干涉型或光栅型等传感器件.本文探究了包括超高折射率灵敏度特性和温度不敏感特性等的内在产生机理,并考察了保偏微纳光纤倏逝场传感器在折射率、湿度、磁场和特异性DNA分子探测等方面的应用,其结果对微纳光纤及其传感器的研究和应用具有重要的意义.

基于光纤光栅的冲击激励声发射响应机理与定位方法研究
Acoustic emission localization technique based on fiber Bragg grating sensing network and signal feature reconstruction

张法业, 姜明顺, 隋青美, 吕珊珊, 贾磊
物理学报. 2017, 66 (7): 074210      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.074210
全文: [PDF 711 KB] 下载:(211)
摘要

在对冲击激励声发射应力波在铝合金板上的传播机理进行分析的基础上,利用ABAQUS软件构建了钢球冲击铝合金板几何模型,仿真分析了冲击应力波传播过程.理论分析了冲击应力波与FBG传感器的作用机理,基于边缘滤波原理构建了声发射传感系统,采集冲击激励声发射应力波,建立了声发射区域定位模型,提出了基于扩散映射与支持向量机(SVM)的声发射区域定位方法并进行了实验验证.在300 mm×300 mm×2 mm的铝合金板上对36个测试区域进行了多次声发射区域定位实验,实验结果表明,扩散映射结合SVM的定位结果较优,区域定位精度为30 mm×30 mm,定位正确率为97.5%,耗时0.781 s.研究结果为声发射区域定位检测提供了一种有效方法.

Airy光纤:基于阵列波导耦合的光场调控方法
Airy fiber: waveguides array coupling based light beam control method

赵浩宇, 邓洪昌, 苑立波
物理学报. 2017, 66 (7): 074211      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.074211
全文: [PDF 1250 KB] 下载:(280)
摘要

近年来,Airy光束作为一种无衍射光束,其特性引起了研究者的广泛关注,人们对它的理论研究、实验验证、实际应用多个方面都取得了长足的进步.而Airy光纤作为一种可生成Airy光束的波导器件,结合其光纤自身优点可适用于多种应用领域,因此开展新型Airy光纤的探索研究、拓展Airy光束的应用范围具有重要现实意义.本文从Airy光束的原理、光纤结构设计、光纤内部光束生成机理、生成光束波长响应特性以及Airy光纤研究现状和应用五个方面展开了较系统的讨论.

光纤光热干涉气体检测技术研究进展
Advances in optical fiber photothermal interferometry for gas detection

苗银萍, 靳伟, 杨帆, 林粤川, 谭艳珍, 何海律
物理学报. 2017, 66 (7): 074212      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.074212
全文: [PDF 1096 KB] 下载:(381)
摘要

本文阐述光纤光热干涉气体检测的基本原理,从光纤光热相位调制的产生、动态过程、探测方法以及响应时间等方面出发,综述本研究组在光纤光热干涉气体检测方面的最新工作进展.光纤光热干涉技术具有灵敏度高、动态范围大、测量不受散射及其他损耗影响等优势,能够实现小型化、多点复用、组网及远程监测,在环境、医疗、安防等领域具有重要的应用.

布里渊动态光栅原理及其在光纤传感中的应用
Principle of Brillouin dynamic grating and its applications in optical fiber sensing

董永康, 周登望, 滕雷, 姜桃飞, 陈曦
物理学报. 2017, 66 (7): 075201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.075201
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摘要

自从2007年布里渊动态光栅被首次提出用于实现光存储以来,该技术得到了国际上的广泛关注和研究.布里渊动态光栅本质上是由相干声波场激发的折射率光栅,一般情况下两束抽运光(频率差等于光纤的布里渊频移)以相同的偏振态从光纤两端注入到光纤中,通过受激布里渊散射效应激发出相干声波场,即形成布里渊动态光栅.光纤布里渊动态光栅因具有全光产生、参数灵活可控的优点,已被广泛研究应用于光纤传感、光纤特性表征、光存储、全光信号处理、微波光子学和高精度光谱分析等.本文分析布里渊动态光栅产生和探测原理,重点探讨在高性能分布式光纤传感上的应用,这些应用包括高灵敏度温度和应变分布式传感、温度和应变同时解调、分布式横向压力传感、分布式静压力(气压或液压)传感、高空间分辨率分布式传感和高精度光谱分析.

核物理学

二维多丝室探测器读出方法的优化
Readout method for two-dimensional multi-wire proportional chamber

温志文, 祁辉荣, 王艳凤, 孙志嘉, 张余炼, 王海云, 张建, 欧阳群, 陈元柏, 李玉红
物理学报. 2017, 66 (7): 072901      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.072901
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摘要

中国散裂中子源将建设一台基于3He气体的二维多丝室,作为多功能反射谱仪束线的中子探测器.基于已有的研究,为优化选择二维多丝室探测器的丝结构,本文研究了三种不同的丝结构,并采用重心读出方法和数字读出方法进行了探测器的性能测量,得到了满足多功能反射谱仪探测器需求的读出方法.实验结果表明:对同种丝结构的二维多丝室探测器,重心读出方法的位置分辨和成像性能都好于数字读出方法;基于重心法读出的多丝室探测器位置分辨率可以达到约160 μm,基于数字读出方法的多丝室探测器位置分辨率可以达到约400 μm.优化设计的丝结构为:基于重心读出法的阳极丝间距1.5 mm、读出通道间距4 mm,基于数字读出法的阳极丝间距1.5 mm、读出通道间距2 mm.优化设计的丝结构均能满足谱仪的位置分辨要求.

基于阻性阳极读出方法的气体电子倍增器二维成像性能
Study of the two dimensional imaging performance for the gas electron multiplier using the resistive anode readout method

鞠旭东, 董明义, 周传兴, 董静, 赵豫斌, 章红宇, 祁辉荣, 欧阳群
物理学报. 2017, 66 (7): 072902      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.072902
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摘要

新型微结构气体探测器,如气体电子倍增器(gas electron multiplier,GEM)等,具有非常好的位置分辨率潜力(σ<100 μm),但是需要匹配大规模高密度的读出电子学,给探测器的建设、造价、功耗、空间利用等带来极大压力.阻性阳极读出方法可以在保持较高位置分辨率的前提下,大幅节省电子学.基于厚膜电阻工艺,一种新的阻性单元阵列结构被成功开发和应用于三级级联GEM探测器的读出阳极.该阻性阳极包括6×6个6 mm×6 mm的基本阻性单元,仅需匹配49路读出电子学.55Fe放射源(5.9 keV)和X光机(8 keV)实验的结果显示探测器的位置分辨率(σ)可好于80 μm,位置非线性好于1.5%.同时,探测器还获得了很好的实物成像效果.探测器的优良性能表明这种阻性阳极读出方法适用于大面积二维成像气体探测器的读出,并可用于其他探测器的读出.

原子和分子物理学

量子统计权重对原子场电离效率的影响
Influence of quantum statistical weight on efficiency of electric field ionization of atom

戚晓秋, 刘冬丽, 戴长建
物理学报. 2017, 66 (7): 073201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.073201
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摘要

原子能级的量子统计权重(G)是原子的重要光谱参数,但在研究原子的电离过程中通常却为了简化问题而被忽略.本文在锂原子的三步光激发(PE)+电场电离(EFI)过程中计入了其影响,并发现其对原子EFI效率的影响显著.本文精心设计了一套锂原子的PE+EFI方案:首先,采用三台不同波长的脉冲激光器分三步将原子从基态激发到某一Rydberg态上,经过一段时间延迟后再施加脉冲电场将其电离.针对原子所经历的PE、零场和EFI这三个物理过程,本文对其物理机制进行了分析并建立了服从粒子数守恒的物理模型进而导出了显含G参数的普适的速率方程组.其次,通过Matlab编程,分别针对精心选定的两条激发路径2S1/2→2P1/2→3S1/2→25P1/2,3/2和2S1/2→2P3/2→3D5/2→25F5/2,7/2开展了数值计算.研究发现:PE+EFI过程的总体效率的上限既与激光参数无关,也不依赖于G参数的绝对值,而是决定于Rydberg态的G参数的分支比.总之,通过精选激发路径可以调控PE过程各相关态的布居率,并能适当提高PE+EFI过程的总电离效率,但却因受到Rydberg态布居率的限制而很难进一步提高.

电子垂直入射电离氦原子碰撞机理的理论研究
A theoretical study on collision mechanisms for low energy electron impact ionization of helium in the perpendicular geometry

杨欢, 张穗萌, 邢玲玲, 吴兴举, 赵敏福
物理学报. 2017, 66 (7): 073401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.073401
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摘要

用3C模型和修正后的3C模型在低能、两个出射电子等能分享几何条件下,对电子垂直入射碰撞电离氦原子的三重微分散射截面进行了理论计算,并把计算结果与实验测量结果进行了比较,系统研究了(e,2e)反应中各种屏蔽效应对氦原子三重微分散射截面的影响,同时对截面中形成各峰的碰撞机理做了详细的探讨.研究结果表明:在入射能较低时,各种屏蔽效应对氦原子的三重微分散射截面幅度以及角分布均存在一定影响,并且形成各峰的碰撞机理直接影响截面的变化规律.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

基于电磁诱导透明机制的压缩光场量子存储
Analysis of electromagnetically induced transparency based on quantum memory of squeezed state of light

邓瑞婕, 闫智辉, 贾晓军
物理学报. 2017, 66 (7): 074201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.074201
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摘要

光场的量子存储不仅是构建量子计算机的重要基础,而且是实现量子中继和远距离量子通信的核心部分.由于存在不可避免的光学损耗,光学参量放大器产生的压缩真空态光场将变为压缩热态光场,不再是最小不确定态.因此,压缩热态光场的量子存储是实现量子互联网的关键.在原子系综中利用电磁诱导透明机制能够实现量子态在光场正交分量和原子自旋波之间的相互映射,即受控量子存储.本文根据量子存储的保真度边界,研究了实现压缩热态光场量子存储的条件.量子存储的保真度边界是通过经典手段能够达到的最大保真度,当保真度大于该边界时,就实现了量子存储.通过数值计算分析了不同情况下压缩热态光场的量子存储保真度边界,以及存储保真度随存储效率的变化关系,得到了实现量子存储的条件,为连续变量量子存储实验设计提供了直接参考.

硅基槽式纳米线多模干涉型模阶数转换器全矢量分析
Full-vectorial analysis of a silicon-based multimode interference mode-order converter for slot waveguide nanowires

肖金标, 王登峰
物理学报. 2017, 66 (7): 074203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.074203
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摘要

提出了一种基于硅基槽式纳米线结构的紧凑式1×2多模干涉器型模阶数转换器,其中输入/输出通道为槽式直波导,经线性锥形过渡器连接居于中心的二次锥形槽式多模波导.采用全矢量频域有限差分法详细分析了垂直槽波导的模式特性,选取电场主分量Ey得到增强的quasi-TM模作为转换器的光信号模式.对比分析了矩形结构与二次锥形结构中的周期自镜像效应,发现二次锥形结构尺寸更短、损耗更低的特点.根据自镜像效应中一阶模成像位置设计多模干涉区域长度,经线性锥形过渡器从较宽输出端口输出一阶模,从较窄输出端口输出基模,从而实现模阶数转换功能.采用三维有限时域差分法详细分析了该转换器的光波传输特性,详细讨论了器件关键结构参数的制作容差.参数优化结果表明,该转换器的多模干涉区域的尺寸为3×5 μm2时,在1.55 μm工作波长下,quasi-TM基模在输出quasi-TM一阶模端口的插入损耗约为0.35 dB,输出波导间的串扰约为-16.9 dB.另外,给出了输入模场主分量在器件中的传输演变情况.

Bayer滤波型彩色相机调制传递函数测量方法
A method to measure the modulation transfer function of Bayer filter color camera

段亚轩, 刘尚阔, 陈永权, 薛勋, 赵建科, 高立民
物理学报. 2017, 66 (7): 074204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.074204
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摘要

Bayer滤波型彩色相机广泛应用于航天遥感、空间对地观测、环境监测等领域.由于Bayer滤波片造成彩色相机相比黑白相机在像质方面进一步退化,如何对Bayer滤波型彩色相机成像性能全频段综合评价是目前亟待解决的问题.调制传递函数(MTF)是相机成像性能综合评价的关键指标,传统调制传递函数测量方法无法实现对Bayer滤波型彩色相机MTF全频段高精度测量.为了解决这个问题,本文提出了一种采用旋转刀口靶测量彩色相机调制传递函数的方法.理论方面,推导了Bayer滤波型彩色相机调制传递函数测量理论模型,仿真分析了刃函数采样率和刀口刃边倾斜角度误差对调制传递函数测量精度的影响,并给出了计算算法.实验方面,对彩色相机R,G,B三基色调制传递函数权重因子进行了实验定标,并搭建了基于条纹板和旋转刀口靶的彩色相机调制传递函数测量试验装置.采用旋转刀口靶法和条纹靶板法测量彩色相机MTF结果在耐奎斯特频率fc处极差为0.061,在空间频率fc/2处极差为0.043,试验结果验证了所提方法的有效性.

爆轰加载下弹塑性固体Richtmyer-Meshkov流动的扰动增长规律 Hot!
A growth study of the Richtmyer-Meshkov flow in the elastoplastic solids under explosive loading

殷建伟, 潘昊, 吴子辉, 郝鹏程, 胡晓棉
物理学报. 2017, 66 (7): 074701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.074701
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摘要

研究了冲击波加载弹塑性材料扰动自由面的动力学演化过程,分析了高能炸药爆轰驱动时初始扰动与材料性质对扰动增长的影响.研究结果表明:初始扰动的振幅与波长之比越高,扰动越易增长,强度越高的材料扰动增长幅度越小;扰动增长被抑制时,尖钉的最大振幅与增长速度无量纲数之间存在线性近似关系,进一步理论分析表明尖钉的振幅增长因子与加载压力、初始扰动形态和材料强度有关,该理论关系作为扰动增长规律的线性近似在一定范围内适用于多种金属材料.

气体、等离子体和放电物理

双等离子体团相互作用的磁流体力学模拟
Simulations for two colliding plasma bubbles embedded into an external magnetic field

原晓霞, 仲佳勇
物理学报. 2017, 66 (7): 075202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.075202
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摘要

利用商用磁流体力学模拟程序USIM对双等离子体团相互作用过程进行了数值模拟,分别考察和比较了双对流等离子体团在外加磁场和无外加磁场情况下,相互作用的物理过程.发现在外加磁场情况下等离子体团相互作用会伴随着磁重联(反向磁场)、磁排斥(同向磁场)以及一些不稳定过程.针对激光产生等离子体团错位相互作用实验,进行了标度模拟,发现外加磁场起着重要作用,进一步表明激光等离子体的磁化特征.研究结果为下一步在神光Ⅱ激光装置进行强磁环境下等离子体实验提供理论指导.

激光与近相对论临界密度薄层相互作用产生大电量高能电子束
High energetic electron bunches from laser–near critical density layer interaction

王剑, 蔡达锋, 赵宗清, 谷渝秋
物理学报. 2017, 66 (7): 075203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.075203
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摘要

研究了激光与近相对论临界密度等离子体薄层相互作用时所产生的高能电子束的主要特征,包括平均有效温度以及截止能量等.实验结果表明,电子束的电量超过nC量级,平均有效温度可达8 MeV以上.PIC数值模拟证明,近相对论临界密度等离子体内,相对论自透明效应和激光钻孔效应共同形成一条磁化等离子体通道,电子与激光将在角向磁场的协助下发生Betatron共振.激光可将电子直接加速到很高能量,因此电子束平均有效温度(“斜坡温度”)远远超过Wilks定标率预计的平均温度.该研究为产生高亮度X射线源提供了一种新的可能途径.

感应式脉冲推力器中等离子体加速数值研究
Numerical investigation on the plasma acceleration of the inductive pulsed plasma thruster

成玉国, 夏广庆
物理学报. 2017, 66 (7): 075204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.075204
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摘要

为了分析感应式脉冲放电等离子体推力器中时变电磁场作用下等离子体的放电参数分布及其随着磁场强度变化的影响,引入了利用双曲型散度清除方法的二维轴对称瞬态等离子体流动的磁流体力学数值模型.计算结果表明,随着输入能量的增加,等离子体团出现速度峰值的时刻提前,等离子体中同时存在的异号电流环对其加速具有阻滞作用.等离子体的加速效率随着磁场强度非线性增大,磁场大于某一临界值时(几何构型下峰值磁场强度大于0.45 T),有限空间情况下等离子体的加速效率获得显著提高.

凝聚物质:结构、力学和热学性质

γ射线总剂量辐照对单轴应变Si纳米n型金属氧化物半导体场效应晶体管栅隧穿电流的影响
Influence of γ-ray total dose radiation effect on the tunneling gate current of the uniaxial strained Si nanometer n-channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistor

郝敏如, 胡辉勇, 廖晨光, 王斌, 赵小红, 康海燕, 苏汉, 张鹤鸣
物理学报. 2017, 66 (7): 076101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.076101
全文: [PDF 583 KB] 下载:(152)
摘要

基于γ射线辐照条件下单轴应变Si纳米n型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)载流子的微观输运机制,揭示了单轴应变Si纳米NMOSFET器件电学特性随总剂量辐照的变化规律,同时基于量子机制建立了小尺寸单轴应变Si NMOSFET在γ射线辐照条件下的栅隧穿电流模型,应用Matlab对该模型进行了数值模拟仿真,探究了总剂量、器件几何结构参数、材料物理参数等对栅隧穿电流的影响.此外,通过实验进行对比,该模型仿真结果和总剂量辐照实验测试结果基本符合,从而验证了模型的可行性.本文所建模型为研究纳米级单轴应变Si NMOSFET应变集成器件可靠性及电路的应用提供了有价值的理论指导与实践基础.

Al3+/Mo6+双离子取代ZrV2O7中Zr4+/V5+实现近零膨胀
Substitutions of dual-ion Al3+/Mo6+ for Zr4+/V5+ in ZrV2O7 for realizing near-zero thermal expansion

袁保合, 曹文思, 葛向红, 程永光, 刘献省, 梁二军
物理学报. 2017, 66 (7): 076501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.076501
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摘要

采用固相烧结法制备了Zr1-xAlxV2-xMoxO7(0 ≤ x ≤ 0.9),并通过调整Al3+/Mo6+对ZrV2O7中的Zr4+/V5+离子替代量来实现近零膨胀.对于较小的x值(x ≤ 0.3),材料保持了与ZrV2O7相同的立方相结构.随着Al3+/Mo6+替代量的增加,(Al/Zr)-和(Mo/V)+之间的库仑相互作用逐渐加强,这种库仑相互作用导致材料中未发生畸变的立方相晶体结构逐渐减少.当x ≥ 0.7时,材料中立方相晶体结构完全消失.在425–750 K温度区间内,Zr0.5Al0.5V1.5Mo0.5O7展示出近零膨胀性质(-0.39×10-6 K-1).Zr0.5Al0.5V1.5Mo0.5O7的低热膨胀性能可能与Al3+/Mo6+对ZrV2O7中Zr4+/V5+部分替代引起部分晶体结构发生的畸变及其对未替代部分的晶格结构的影响有关.

缓冲层对量子阱二能级系统中电子子带间跃迁光吸收的影响
Buffer layer influence on light absorption of electron intersubband transition in binary energy level systems of quantum wells

李群, 屈媛, 班士良
物理学报. 2017, 66 (7): 077301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.077301
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摘要

由于ZnO缓冲层对纤锌矿ZnO/MgxZn1-xO有限深单量子阱结构左垒的限制作用,导致阱和右垒的尺寸、Mg组分值等因素将影响系统中形成二能级.本文考虑内建电场、导带弯曲及材料掺杂对实际异质结势的影响,利用有限差分法数值求解Schrödinger方程,获得电子的本征能级和波函数,探讨ZnO缓冲层对此类量子阱形成二能级系统的尺寸效应及三元混晶效应的影响;利用费米黄金法则探讨缓冲层、左垒、阱及右垒宽度和三元混晶效应对此类量子阱电子子带间跃迁光吸收的影响.计算结果显示:对于加入ZnO缓冲层的ZnO/MgxZn1-xO有限深单量子阱二能级系统,左垒宽度临界值会随着阱宽和Mg组分值的增大而逐渐减小,随着右垒宽度和缓冲层厚度的增大而逐渐增大;量子阱中电子子带间跃迁光吸收峰会随着左垒、右垒尺寸以及Mg组分的增大发生蓝移,随着阱宽增大而发生红移.本文所得结果可为改善异质结器件的光电性能提供理论指导.

具有纵向辅助耗尽衬底层的新型横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管
Novel lateral double-diffused MOSFET with vertical assisted deplete-substrate layer

赵逸涵, 段宝兴, 袁嵩, 吕建梅, 杨银堂
物理学报. 2017, 66 (7): 077302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.077302
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摘要

为了优化横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(lateral double-diffused MOSFET,LDMOS)的击穿特性及器件性能,在传统LDMOS结构的基础上,提出了一种具有纵向辅助耗尽衬底层(assisted deplete-substrate layer,ADSL)的新型LDMOS.新加入的ADSL层使得漏端下方的纵向耗尽区大幅向衬底扩展,从而利用电场调制效应在ADSL层底部引入新的电场峰,使纵向电场得到优化,同时横向表面电场也因为电场调制效应而得到了优化.通过ISE仿真表明,当传统LDMOS与ADSL LDMOS的漂移区长度都是70 μm时,击穿电压由462 V增大到897 V,提高了94%左右,并且优值也从0.55 MW/cm2提升到1.24 MW/cm2,提升了125%.因此,新结构ADSL LDMOS的器件性能较传统LDMOS有了极大的提升.进一步对ADSL层进行分区掺杂优化,在新结构的基础上,击穿电压在双分区时上升到938 V,三分区时为947 V.

物理学交叉学科及有关科学技术领域

外界条件在电磁脉冲对GaAs赝高电子迁移率晶体管损伤过程中的影响
Influence of the external condition on the damage process of the GaAs pseudomorphic high electron mobility transistor induced by the electromagnetic pulse

席晓文, 柴常春, 刘阳, 杨银堂, 樊庆扬
物理学报. 2017, 66 (7): 078401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.078401
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摘要

结合器件仿真软件Sentaurus TCAD,建立了GaAs赝高电子迁移率晶体管器件的电磁脉冲损伤模型.基于此模型,从信号参数和外接电阻两个方面出发讨论了外界条件对器件电磁脉冲损伤效应的影响.结果表明,信号参数的改变能够显著影响器件的损伤时间:信号幅度通过改变器件的吸收能量速度来影响器件的损伤效应,其与器件损伤时间成反比;信号上升时间的改变能够提前或延迟器件的击穿点,其与器件损伤时间成正比.器件外接电阻能够减弱器件的电流沟道,进而延缓器件的损伤进程,且源极外接电阻的影响更加明显.

地球物理学、天文学和天体物理学

滑动移除小波分析法在动力学结构突变检验中的应用
Application of moving cut data-wavelet transformation analysis in dynamic structure mutation testing

孙东永, 张洪波, 王义民
物理学报. 2017, 66 (7): 079201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.079201
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摘要

标度指数计算的即时性与准确性对相关时间序列的动力学结构突变分析至关重要,然而现有方法在即时性与准确性上一直无法兼顾.将小波分析方法与滑动移除窗口技术相融合,提出一种新的动力学结构突变检测方法——滑动移除小波分析法.通过选取不同的滑动移除窗口,分别对构建的线性、非线性理想时间序列进行动力学结构突变分析,结果表明不论是线性时间序列还是非线性时间序列,滑动移除小波分析能够准确地检测到序列的动力学结构突变点及突变区间,对于滑动移除窗口长度依赖性较小,具有很强的稳定性,而且在计算速度上明显优于滑动移除重标极差和滑动移除方差分析方法,将在大数据处理中具有一定的优势.同时分别对线性、非线性理想时间序列添加高斯白噪声,结果表明滑动移除小波分析具有很强的抗噪能力,能够准确地检测到加噪后序列的突变点.对佛坪站日最高温度实测资料的动力学结构突变的准确检测进一步验证了该方法的有效性.滑动移除小波分析法可为具有相关性的系统动力学结构突变的快速、准确检测提供一种途径.

电磁监测试验卫星阻滞势分析器探测技术
Research on retarding potential analyzer aboard China seismo-electromagnetic satellite

郑香脂, 张爱兵, 关燚炳, 刘超, 王文静, 田峥, 孔令高, 孙越强
物理学报. 2017, 66 (7): 079401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.079401
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摘要

依据电磁监测试验卫星的任务要求,自主研发了等离子体分析仪,首次实现电离层等离子体原位探测.作为等离子体分析仪的重要组成部分,阻滞势分析器主要用于探测电离层等离子体的密度、沿轨道方向漂移速度、温度以及成分等参数.阻滞势分析器传感器栅网材料选用铍铜,表面镀金处理,并通过仿真验证了多层栅网总透过率与理论计算的一致性.依据技术指标,详细设计了阻滞势分析器传感器的窗口半径、收集极半径、有效高度及扫描电压等参数.在电子学电路设计时通过前放电路三个可调量程的设计,保证了电路测量精度.在此基础上,借助意大利国家天体物理研究院行星际物理研究所的地面等离子体环境,完成了阻滞势分析器的等离子体环境测试.测试结果表明,该阻滞势分析器的性能指标满足设计要求,能够实现电磁监测试验卫星的任务需求.


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