物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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高功率光纤中传输光模式与其波长相关性研究
梁井川, 冯国英, 张澍霖, 兰斌, 周寿桓
物理学报. 2017, 66 (19): 194202
钙离子调控微丝切割蛋白中A6亚基解折叠的单分子力谱研究
李鹏飞, 曹毅, 秦猛, 王炜
物理学报. 2017, 66 (19): 196201
基于超导纳米线单光子探测器深空激光通信模型及误码率研究
闫夏超, 朱江, 张蜡宝, 邢强林, 陈亚军, 朱宏权, 李舰艇, 康琳, 陈健, 吴培亨
物理学报. 2017, 66 (19): 198501
物理学报  
   物理学报--2017, 66 (19)   发布日期: 2017-10-05
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总论

永磁同步风力发电机随机分岔现象的全局分析
Global analysis of stochastic bifurcation in permanent magnet synchronous generator for wind turbine system

杨黎晖, 葛扬, 马西奎
物理学报. 2017, 66 (19): 190501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.190501
全文: [PDF 2746 KB] 下载:(462)
摘要

永磁同步风力发电机在运行过程中不可避免地会受到风能的随机干扰,本文建立了在输入机械转矩存在随机干扰情况下永磁同步风力发电机的数学模型,采用胞映射方法分析了随机干扰强度变化时系统全局结构的演化行为,并通过数值模拟对理论分析进行验证.研究结果表明,随着随机干扰强度的增大,系统中会出现随机内部激变和随机边界激变,即由于随机吸引子与其吸引域内的随机鞍发生碰撞而产生的随机分岔现象和由于随机吸引子与其吸引域边界发生碰撞而产生的随机分岔现象.研究结果揭示了随机干扰对永磁同步风力发电机运行性能影响的机理,为永磁同步风力发电系统的运行和设计提供了理论依据.

自驱动颗粒体系中的熵力
Entropy forces of nanoparticles in self-propelled systems

华昀峰, 章林溪
物理学报. 2017, 66 (19): 190701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.190701
全文: [PDF 1079 KB] 下载:(225)
摘要

在许多纳米复合材料体系中熵力(entropy force)是普遍存在的,但由于熵力的存在会导致纳米颗粒的凝聚从而降低其许多性能,因此在大多数情况下熵力的存在对体系并无益处,所以研究如何减小熵力对体系的影响是非常重要的.不带角速度的自驱动粒子在熵力作用下会集聚在纳米颗粒(或者纳米棒)周围,这会对纳米颗粒(或者纳米棒)产生很大的相互作用力.对于纳米颗粒,在不带角速度的自驱动粒子体系中存在着非常大的排斥力.而对于纳米棒,由于纳米棒内外的不对称性,使得两个纳米棒之间会产生吸引-排斥转变,同时这个吸引-排斥转变与纳米棒之间的距离有关.当自驱动粒子加上一个自转角速度ω之后,熵力的作用就大大减弱,纳米颗粒不再集聚.研究结果有助于对非平衡态下纳米颗粒(或纳米棒)之间熵相互作用力的认识.

低温冷冻靶温度动态特性的数值模拟研究
Numerical simulation of dynamic thermal characteristics of cryogenic target

陈鹏玮, 厉彦忠, 李翠, 代飞, 丁岚, 辛毅
物理学报. 2017, 66 (19): 190702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.190702
全文: [PDF 1140 KB] 下载:(128)
摘要

惯性约束聚变点火成功的关键之一在于靶丸内形成均匀的氘氚冰层,靶丸周围的温度场对冰层质量有很大影响.首先通过实验靶系统实验验证了数值计算模型的可靠性,在此模型的基础上,对低温冷冻靶装置的热物理问题特别是温度动态特性问题展开了数值模拟,重点考察冷环温度波动时,温度传递衰减过程的规律以及各影响因素对于温度传递衰减过程的影响.结果显示:冷环温度一定时,填充气体压力降低、填充气体中氦气比例增大,靶丸表面温度均匀性提高;当冷环温度波动时,温度波动的周期减小、振幅减小、填充气体压力升高、填充气体中氦气比例降低有利于控制靶丸表面温度波动;冷环温度波动的周期适中、振幅减小、填充气体压力降低、填充气体中氦气比例提高有利于改善靶丸表面温度均匀性.研究结果对实验中冷冻靶合理配置各参数实现温度控制具有重要参考价值.

共焦腔增强的空气拉曼散射
Confocal-cavity-enhanced Raman scattering of ambient air

李斌, 罗时文, 余安澜, 熊东升, 王新兵, 左都罗
物理学报. 2017, 66 (19): 190703      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.190703
全文: [PDF 673 KB] 下载:(154)
摘要

拉曼光谱是一种无损、快速的物质成分分析和检测方法.由于拉曼信号强度微弱,使得拉曼光谱的检测应用受到极大的限制.针对增强拉曼散射信号强度、提高检测灵敏度这一问题,设计了一种用于自发拉曼散射信号增强的共焦腔样品池,开展了基于该共焦腔的空气拉曼散射信号增强研究.共焦腔的腔镜反射率为92%,这一设计在保证共焦腔通带宽度与激光器线宽匹配的同时能有效地降低共振调节难度.实验中采用0o探测构型收集拉曼信号,并由成像式拉曼光谱仪获取光谱信号.实验发现,在共振状态下,共焦腔的耦合效率达到87.5%,单向激光功率实现约11倍放大;与无共振腔相比,共焦腔对拉曼信号实现17倍放大,信噪比提高2倍.此外,空气中CO2的3σ检测限达到200 ppm量级.结果表明,该系统对自发拉曼散射信号增强效果显著,并且有较高的检测灵敏度.

新型干涉高光谱成像系统的光束剪切特性分析
Beam shearing characteristic analysis of interferometric hyperspectral imaging system

李建欣, 柏财勋, 刘勤, 沈燕, 徐文辉, 许逸轩
物理学报. 2017, 66 (19): 190704      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.190704
全文: [PDF 1082 KB] 下载:(96)
摘要

提出了一种基于新型双折射横向剪切分束器的高光谱成像方法,采用的横向剪切分束器主要由Wollaston棱镜和角锥反射体组成.在分析双折射分束器的偏光结构和分光机理的基础上,利用光线追迹方法分析了光束在Wollaston棱镜中的传播特性,通过计算光束在双折射分束器中的传播方向及出射位置,推导出调制光程差的理论表达公式.根据理论推导结果,分别仿真分析了系统在不同扫描模式下光程差与入射光视场角以及角锥顶点偏移量的调制关系.基于理论分析结果搭建了实验装置,对光程差分析结果进行验证,实验结果与理论分析结果匹配较好.所提方法可以提高剪切光束的平行性,保证干涉条纹的高调制度,降低了复原光谱准确度对光学装调精度和元件加工精度的依赖性,具有结构稳定、复杂度低的显著特点.

原子和分子物理学

吸收谱线Doppler展宽对原子多步光电离的影响
Influences of Doppler broadening of absorption lines on a multi-step photoionization process of atoms

卢肖勇, 张小章, 张志忠
物理学报. 2017, 66 (19): 193201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.193201
全文: [PDF 371 KB] 下载:(100)
摘要

原子法激光同位素分离的核心之一是如何高效地将原子激发电离.本文从原子法激光同位素分离的实际情况出发,研究了原子吸收谱线的Doppler展宽对原子电离率的影响.研究中使用的理论工具是原子激发电离的密度矩阵方程,并利用数值计算方法对方程进行求解.研究结果表明:当吸收谱线有Doppler展宽时,在激光参数不变的条件下原子电离率会降低;且当激光功率固定时,存在使原子电离率为最大的线宽值.这与已发表文献中无Doppler展宽时的计算结果有很大不同.为了追求最佳的原子电离效果,在原子法激光同位素分离系统中激光应该尽可能地工作在最佳线宽条件下.如果激光线宽有不可控的随机波动,在技术上让激光线宽略大于最佳线宽更为有利.无论如何控制激光线宽,尽可能地降低原子吸收谱线的Doppler展宽都有利于原子电离率的提高.

Br2分子在360–610 nm的光解离动力学研究
Photodissociation dynamics of Br2 in wavelength range of 360-610 nm

秦朝朝, 黄燕, 彭玉峰
物理学报. 2017, 66 (19): 193301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.193301
全文: [PDF 809 KB] 下载:(103)
摘要

利用包含转动自由度在内的含时薛定谔方程研究了Br2分子在波长范围为360–610 nm的光解离动力学.通过计算得到了Br2分子在四个特征波长处的切片解离影像,并经过分析得到了与切片解离影像相对应的动能分布;计算了Br2分子在波长范围为360–610 nm内总的动能分布,以及从A,B和C三个电子态解离的碎片各自所对应的动能分布;计算了A,B和C三个电子态各自的解离概率以及碎片产物的分支比Γ(Br*/(Br+Br*))随波长的变化.

铯原子里德伯态精细结构测量
Measurement of the fine structure of cesium Rydberg state

裴栋梁, 何军, 王杰英, 王家超, 王军民
物理学报. 2017, 66 (19): 193701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.193701
全文: [PDF 467 KB] 下载:(202)
摘要

里德伯态光谱是测量里德伯态能级结构和中性原子间相互作用的常用技术手段,特别是高精度的里德伯光谱,可以测量室温原子气室中由偶极相互作用等导致的原子能级频移.在实验中利用反向的852 nm激光和509 nm激光实现了室温原子气室中铯原子6S1/2–6P3/2–57S (D)跃迁的级联双光子激发,实现了里德伯态原子的制备.基于阶梯型电磁诱导透明获得了铯原子里德伯态的高分辨光谱.实验中,基于速度选择的射频边带调制技术,对光谱信号进行了频率标定,测量了铯原子里德伯态57D3/2和57D5/2的精细分裂,分裂间隔为(354.7±2.5) MHz,与理论计算结果基本一致.速度选择的射频调制光谱可以实现里德伯态原子的能级分裂测量,其测量精度对于单光子跃迁的绝对激光频率不敏感;实验中影响57D3/2和57D5/2精细分裂间隔测量精度的主要因素是功率加宽导致的电磁感应透明信号的展宽和509 nm激光频率扫描的非线性.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

基于杂散光抑制要求的光学表面粗糙度控制方法研究
Method of controlling optical surface roughness based on stray light requirements

宋延松, 杨建峰, 李福, 马小龙, 王红
物理学报. 2017, 66 (19): 194201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.194201
全文: [PDF 1135 KB] 下载:(199)
摘要

光学表面加工误差引起的散射是影响光学系统成像性能的重要因素.描述表面总散射能量的均方根粗糙度是评定光学表面粗糙度的通用指标,但因其未能体现散射能量的空间分布,在表征光学表面散射对具体光学系统杂散光性能影响时存在准确度不足的局限.本文基于全积分散射及双向散射分布函数理论,针对杂散光抑制要求提出一种光学表面粗糙度控制的新方法.首先通过分析确定光学表面纹理中影响系统杂散光的空间频率范围,然后度量该频率带限范围内的表面均方根粗糙度,作为控制光学表面粗糙度的指标.以太阳磁场望远镜(MFT)为例进行方法验证,确定主镜表面纹理有效频率范围为0–18 mm-1,分析了主镜表面带限均方根粗糙度对MFT杂散光性能的影响.结果表明,带限均方根粗糙度与MFT杂散光性能之间的关系稳定性能大幅提高,由此验证了采用带限均方根粗糙度描述光学表面粗糙度,能更为准确地控制其对具体光学系统杂散光性能的影响.

高功率光纤中传输光模式与其波长相关性研究 Hot!
Analysis of wavelength dependence of mode in high power fiber laser

梁井川, 冯国英, 张澍霖, 兰斌, 周寿桓
物理学报. 2017, 66 (19): 194202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.194202
全文: [PDF 4107 KB] 下载:(148)
摘要

针对高功率光纤激光模式诊断和光谱诊断的需求,研究了光纤中传输模式的波长相关性,数值计算了光纤中各个模式的模场分布随波长的变化曲线及相应的光束质量,采用双傅里叶变换F2法实际测量了光纤模式成分与波长的关系曲线.结果表明,光纤中各个模式的模场分布随波长变化,波长越长,模场面积越大;模式的光束质量随波长变化不大,但在截止频率附近明显变差;光纤中各个模式的功率占比与波长有关.

波长锁定激光二极管共振泵浦Nd:YVO4晶体连续波自拉曼激光器的设计与研究
Research and design of continuous-wave Nd:YVO4 self-Raman laser in-band pumped by a wavelength-locked laser diode

张鑫, 张蕴川, 李建, 李仁杰, 宋庆坤, 张佳乐, 樊莉
物理学报. 2017, 66 (19): 194203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.194203
全文: [PDF 393 KB] 下载:(171)
摘要

对波长锁定878.9 nm的激光二极管共振泵浦Nd:YVO4晶体的全固态连续波自拉曼激光器进行了理论研究.考虑了激光晶体在共振泵浦时的热透镜效应,采用ABCD传输矩阵法和等效G参数法,计算了当采用不同曲率半径输出镜时腔内振荡激光的腔模参数,通过比较抽运光与振荡激光模式匹配的情况和拉曼晶体中基频光功率密度的大小,分析了不同腔结构对拉曼激光输出功率的影响,给出了实验结果的理论解释,并进一步优化设计了谐振腔结构.最终获得了5.3 W的高功率1175 nm连续拉曼激光输出,光光转换效率达到20%.

基于低采样率模数转换器的延时复用频分多址无源光网络
Delay division multiplexing orthogonal frequency-division multiple access passive optical networks using low-sampling-rate analog-to-digital converter

白光富, 江阳, 胡林, 田晶, 訾月姣
物理学报. 2017, 66 (19): 194204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.194204
全文: [PDF 2017 KB] 下载:(105)
摘要

基于正交频分复用技术的无源光网络中,光网络单元为了获得其所属小部分下行数据,需高采样率模数转换器将所有频宽的信号恢复才能分出其所需要数据.同时正交频分信号峰均比很高,传输中容易引起非线性效应.为此,本文提出一种基于低采样模数转换器的延时复用频分多址无源光网络.在光线路终端将数据序列交错排序并在时域映射为正交幅度调制信号;再通过离散傅里叶变换扩频技术,将信号转换为频域信号并映射到子载波上.通过预先发送和回传训练信号,估测包括延时采样和低采样接收在内的信道频响;再将频域信号利用估测信息在光线路终端做预处理,从而使信号传输中的失真得到有效预补偿.本文实验演示了含有多个光网络单元的系统,对于含有M个光网络单元的无源光网络,模数转换器的采样率可以降低到1/M Nyquist采样率,实验中模数转换器的采样率可以降低到1/32 Nyquist采样率;由于下行信号通过光线路终端预处理实现失真预补偿,光网络单元接收到的信号不需要均衡,不需要傅里叶变换和傅里叶逆变换,避免了与之对应的相关计算量,降低了光网络单元的计算复杂度;由于使用了扩频技术,信号波形具有更低的峰均比,从而降低了非线性对信号的影响,增加了功率预算.此外,随着光网络单元的增加,信号的误码率几乎没有增加,光网络单元个数增加到32时,向前纠错极限为10-3的功率代价小于0.5 dB;系统对光网络单元采样时刻偏离具有一定容限;25 km光纤传输的功率代价大约0.5 dB.理论和实验均证明本方案能够简化光网络单元,降低无源光网络的成本;与传统的无源光网络相比具有明显优势.

陆架斜坡海域上坡波导环境中声能量急剧下降现象及其定量分析
Investigation and quantitative analysis on the acoustic energy tobogganing in the upslope waveguide of continental slope area

谢磊, 孙超, 刘雄厚, 蒋光禹, 孔德智
物理学报. 2017, 66 (19): 194301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.194301
全文: [PDF 1298 KB] 下载:(71)
摘要

深度较浅的声源其辐射声波在陆架斜坡海域上坡传播时,在斜坡顶端会出现声能量急剧下降现象.利用射线声学模型分析了造成这一现象的原因,并根据抛物方程声场模型计算的深海和浅海平均传播损失定义了“声能量急剧下降距离”,定量分析了声源位置对该现象的影响.结果表明:声源深度对“声能量急剧下降距离”影响较大,而声源与斜坡底端水平距离对其影响较小;当声源深度变大时,部分掠射角较小的声线最终能够达到斜坡顶端,致使“声能量急剧下降距离”增大,继续增加声源深度,将导致上坡声能量急剧下降现象消失.利用抛物方程声场模型对陆架斜坡海域上坡声传播进行数值仿真,结合“声能量急剧下降距离”的定义,计算并比较了声源位置不同时该距离的变化,数值计算结果验证了理论分析.

气泡体积分数对沙质沉积物低频声学特性的影响
Effect of gas bubble volume fraction on low-frequency acoustic characteristic of sandy sediment

王飞, 黄益旺, 孙启航
物理学报. 2017, 66 (19): 194302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.194302
全文: [PDF 1753 KB] 下载:(133)
摘要

由于有机物质分解等原因,实际的海底沉积物中存在气泡,气泡的存在会显著影响沉积物低频段的声学特性,因此研究气泡对沉积物低频段声速的影响机理具有重要意义.考虑到外场环境的不可控性,在室内水池中搭建了大尺度含气非饱和沙质沉积物声学特性获取平台,在有界空间中应用多水听器反演方法首次获取了含气非饱和沙质沉积物300–3000 Hz频段内的声速数据(79–142 m/s),并同时利用双水听器法获取了同一频段的数据(112–121 m/s).在声波频率远低于沉积物中最大气泡的共振频率时,根据等效介质理论,将孔隙水和气泡等效为一种均匀流体,改进了水饱和等效密度流体近似模型.模型揭示了气泡对沉积物低频段声学特性的影响规律,理论上解释了沉积物中声速的降低.通过分析模型预报声速对模型参数的敏感性,根据测量得到的声速分布反演得到了沉积物不同区域的气泡体积分数,气泡体积分数从1.07%变化到2.81%.改进的模型为沉积物中气泡体积分数估计提供了一种新方法.

液体材料超声处理过程中声场和流场的分布规律研究
Acoustic field and convection pattern within liquid material during ultrasonic processing

吴文华, 翟薇, 胡海豹, 魏炳波
物理学报. 2017, 66 (19): 194303      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.194303
全文: [PDF 2287 KB] 下载:(214)
摘要

针对合金熔体等液体材料的超声处理过程,选取水作为透明模型材料,采用数值模拟计算和示踪粒子实验方法,研究了20和490 kHz两种频率超声作用下水中的声场和流场分布.结果表明,增大变幅杆半径能够提高水中声压水平,扩大空化效应的发生区域.当超声频率为20 kHz时,水中声压最大值出现在超声变幅杆下端面处,且声压沿传播距离的增大而显著减小.如果超声频率增加至490 kHz,水中的声压级相比于20 kHz时明显提高,且声压沿着超声传播方向呈现出周期性振荡特征.两种频率超声作用下水中的流场呈现相似的分布特征,且平均流速均随着变幅杆半径增大表现出先升高后降低的趋势.变幅杆半径相同时,20 kHz频率超声作用下水中的平均流速高于490 kHz频率超声.采用示踪粒子图像测速技术实时观察和测定了水中的流速分布,发现其与计算结果基本一致.

利用海浪噪声自相关实现散射体无源探测
Passive detection of scatterer using autocorrelation of surf noise

迟静, 李小雷, 高大治, 王好忠, 王宁
物理学报. 2017, 66 (19): 194304      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.194304
全文: [PDF 808 KB] 下载:(153)
摘要

提出了一种利用海浪噪声自相关实现散射体无源探测的新方法.将各接收器记录噪声信号的自相关减去所有接收器记录噪声信号自相关的平均值,得到散射信号的到达结构,然后结合基尔霍夫移位算法实现对散射体的探测.与利用背景噪声互相关提取格林函数从而实现散射体探测的方法不同,自相关无需考虑各个接收器之间的大量数据传输及时间同步问题,这为相距较远的多接收器和移动平台目标探测提供了极大的方便.将所提出的方法应用于实验数据中,最终探测结果与实际测量结果相比差别不大,验证了方法的有效性.

多路段元胞自动机交通流模型
Multi-section cellular automata model of traffic flow

梁经韵, 张莉莉, 栾悉道, 郭金林, 老松杨, 谢毓湘
物理学报. 2017, 66 (19): 194501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.194501
全文: [PDF 1001 KB] 下载:(207)
摘要

在经典单路段元胞自动机交通流模型的基础上,将多个路段视为一个道路系统,提出并研究了多路段条件下的交通流问题.针对多路段道路的特点,通过引入车辆流入规则、路口随机慢化规则和路口车辆流入规则,控制车辆从上一路段流入下一路段.首先提出了“汽车池”的概念,来控制每一路口车辆的流入;然后通过路口随机慢化,来模拟路口对交通的影响;最后,当车辆离开时,依直行率进入下一路段,实现车流的继续流动.同时,通过数值模拟,仿真了不同条件下的交通情况,对重要参数进行了研究.结果表明,出现了混合流这一新的现象,拥堵地段与非拥堵地段间存在明显的界限.拥堵往往最先从路口开始,然后蔓延到整个路段.多路段道路还存在临界突变的特性.随着车辆流入概率的增大,路口对平均速度和车流密度的影响愈加明显.当流入概率超过一定阈值时,车辆缓慢地增加也会引起整体道路通行能力的迅速下降.

分离压和表面黏度的协同作用对液膜排液过程的影响
Synergistic effects of disjoining pressure and surface viscosity on film drainage process

叶学民, 杨少东, 李春曦
物理学报. 2017, 66 (19): 194701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.194701
全文: [PDF 780 KB] 下载:(125)
摘要

针对含不溶性活性剂的垂直液膜排液过程,在考虑分离压作用的前提下,引入随活性剂浓度变化的表面黏度模型,应用润滑理论建立了液膜厚度、活性剂浓度和液膜表面速度的演化方程组,通过数值计算分析了常表面黏度和变表面黏度情形下的液膜演化特征.结果表明:表面黏度是影响液膜排液过程的重要因素,当不考虑表面黏度时,液膜表面呈“流动”模式,反之呈“刚性”模式,且随表面黏度增加,液膜排液速率明显减缓.分离压对“黑膜”的形成至关重要,分离压单独作用时,其形成的“黑膜”长度较短,而只考虑表面黏度时,则不能形成稳定的“黑膜”.而在二者协同作用下,液膜中部形成了向下扩展、厚度很薄但非常稳定的“黑膜”,且“黑膜”厚度、出现时间均随表面黏度的增大而增加.当考虑活性剂浓度对表面黏度的影响时,表面速度受此影响显著;在形成“黑膜”长度及出现时间方面与相应常表面黏度的情形基本类似,但其“黑膜”厚度小于相应常表面黏度,故在液膜排液过程中更容易发生失稳.

气体、等离子体和放电物理

流注放电低温等离子体中电子输运系数计算的蒙特卡罗模型
Monte Carlo simulations of electron transport coefficients in low temperature streamer discharge plasmas

孙安邦, 李晗蔚, 许鹏, 张冠军
物理学报. 2017, 66 (19): 195101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.195101
全文: [PDF 598 KB] 下载:(169)
摘要

流体或者粒子-流体混合数值仿真是研究流注放电基本物理机制的常用手段,而精确的电子输运系数是保证其仿真正确性的必要前提.鉴于现有电子输运系数求解工具存在一定缺陷,本文开发了采用蒙特卡罗方法求解低温等离子体中电子输运系数的仿真工具,测试表明其准确性和精确度均较高.研究了氮氧气体混合比及大气压下三体碰撞吸附对电子输运系数的影响.氮气中流注放电仿真表明,流体仿真中采用本模型改进后的电子输运系数可显著改善流注通道内部的等离子体参数分布.

超声分子束注入密度和宽度对托克马克装置加料深度的影响
Effects of width and density of supersonic molecule beam on penetration depth of tokamak

吴雪科, 孙小琴, 刘殷学, 李会东, 周雨林, 王占辉, 冯灏
物理学报. 2017, 66 (19): 195201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.195201
全文: [PDF 1512 KB] 下载:(102)
摘要

基于HL-2A托卡马克装置的真实磁场位形,应用大型边缘等离子体湍流模拟程序BOUT++中的子程序模块trans-neut对不同的超声分子束注入(SMBI)密度和宽度进行模拟.在SMBI过程中,保持单位时间内分子注入个数和注入速度恒定,在恒定通量情况下,通过调整注入分子束密度和宽度来研究SMBI注入深度的变化.研究结果表明:在注入密度较小、注入宽度较大时,SMBI的注入深度更深,分子和原子的分解率和电离率的时空区域较宽.分子分解局域化会抑制全局分解率的增长,而分解局域化又会引发局域分解率的加速增长,进而促进全局分解率的增长,促进效果占优导致在注入速度一定的情况下,恒定通量的分子注入发散角越小,分子注入深度越浅.

高功率微波作用下等离子体中的雪崩效应研究
Avalanche effect in plasma under high-power microwave irradiation

李志刚, 程立, 袁忠才, 汪家春, 时家明
物理学报. 2017, 66 (19): 195202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.195202
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摘要

研究高功率微波作用下等离子体中的雪崩效应,对于研究等离子体防护技术具有重要意义.通过采用等离子体流体近似方法,建立等离子体中的波动方程、电子漂移-扩散方程和重物质传递方程,表征电磁波在等离子体中的传播以及等离子体内部带电粒子的变化情况,分析研究了高功率微波作用下雪崩效应的产生过程和变化规律.研究表明,入射电磁波功率决定了雪崩效应的产生;初始电子密度能够影响雪崩效应产生的时间;入射电磁波的激励作用初始表现为集聚效应,当激励能量积累到一定阈值时,雪崩效应才会产生;在雪崩效应产生过程中,等离子体内部电子密度的变化非常迅速并且比较复杂.雪崩效应产生后,等离子体内截止频率会远超过入射波频率,电磁波不能在等离子体中传播,从而起到防护高功率微波的效果.

凝聚物质:结构、力学和热学性质

Nb掺杂γ-TiAl金属间化合物的电子结构与力学性能
Electronic structure and mechanical properties of Nb-doped γ -TiAl intermetallic compound

陈治鹏, 马亚楠, 林雪玲, 潘凤春, 席丽莹, 马治, 郑富, 汪燕青, 陈焕铭
物理学报. 2017, 66 (19): 196101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.196101
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摘要

运用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了Nb掺杂γ-TiAl金属间化合物的结构参数、能带结构、电子态密度及弹性常数.结果表明:Nb替代Ti掺杂相比Nb替代Al掺杂的形成能低,Nb在替位掺杂时更倾向于取代Ti原子形成稳定的结构,Nb替代Ti掺杂能够提高γ-TiAl金属间化合物的抵御塑性变形能力、断裂强度和延展性;与Nb替代Ti掺杂相比,Nb替代Al掺杂同样增强γ-TiAl金属间化合物的断裂强度且其增强延展性的效果更好,但抵御塑性变形的能力有所削弱.

钙离子调控微丝切割蛋白中A6亚基解折叠的单分子力谱研究 Hot!
Single molecule force spectroscopy study of calcium regulated mechanical unfolding of the A6 domain of adseverin

李鹏飞, 曹毅, 秦猛, 王炜
物理学报. 2017, 66 (19): 196201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.196201
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摘要

在生命活动中,金属离子扮演了非常重要的角色.微丝切割蛋白(adseverin)需要钙离子的活化才能行使其切割肌动蛋白微丝的功能.本文通过基于原子力显微镜的单分子力谱研究了微丝切割蛋白C端末的A6亚基在结合钙离子前后的力学解折叠机理.实验结果显示:在未结合钙离子时,A6的解折叠表现为两态过程;在结合钙离子后A6力学稳定性显著提高;同时,钙离子的结合使得A6解折叠过程中出现稳定的中间态.通过对中间态的链长的分析,我们推测了中间态对应着A6的N端部分解折叠.而这一部分的解折叠可以使得掩藏在该结构后的A5亚基中肌动蛋白微丝结合位点暴露,从而促使微丝切割蛋白执行功能.我们的实验结果为理解微丝切割蛋白的工作原理提供了新的实验证据.

自我质疑机制下公共物品博弈模型的相变特性
Phase transition properties for the spatial public goods game with self-questioning mechanism

杨波, 范敏, 刘文奇, 陈晓松
物理学报. 2017, 66 (19): 196401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.196401
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摘要

公共物品博弈是研究群体相互作用的经典模型,广泛用于解释自私个体间合作的涌现和保持.本文从理论分析和蒙特卡罗模拟两个方面研究了二维正方格子上一个有偿惩罚机制下随自我质疑更新规则演化的公共物品博弈模型的相变特性.理论分析方面,将公共物品博弈模型转化为一个外场不为零的铁磁Ising模型.通过有效能量发现:不存在惩罚时,个体间的耦合强度为零,体系只有外场作用;存在惩罚时,个体间包含最近邻、次近邻和第三近邻相互作用且外场不为零.蒙特卡罗模拟方面,首先验证了理论分析的正确性,然后对公共物品博弈模型相关的一级相变和二级相变进行了有限尺度标度分析.研究发现:1)蒙特卡罗模拟所得结果与类Ising模型分析结果完全吻合;2)相比二维Ising模型,公共物品博弈的二级相变临界指数发生了变化;3)公共物品博弈的一级相变与二维Ising模型相同.

聚乙烯醇水溶液二维定向凝固的微观组织演化
Microstructure evolution of polyvinyl alcohol aqueous solution solidated in two-dimensional direction

贾琳, 王理林, 申洁楠, 张忠明, 李俊杰, 王锦程, 王志军
物理学报. 2017, 66 (19): 196402      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.196402
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摘要

为了深入探究定向多孔聚合物材料的微观组织形成机理,利用定向凝固原位实时观察手段,研究不同浓度及不同分子量聚乙烯醇(PVA)水溶液在不同抽拉速度下的定向凝固形貌演化.PVA水溶液的定向凝固形态在低浓度(1 wt%,2.5 wt%)和小分子量(Mw=24000)情况下,一次枝晶间距随着抽拉速度的增加而减小.随着PVA浓度和分子量的增加,一次枝晶间距随抽拉速度变化不明显,枝晶主轴尺寸则随速度增加呈现减小的趋势.与传统凝固形态形成机理相比,PVA水溶液的凝固形态由PVA分子的扩散引起的凝固界面不稳定性机理和PVA高分子链交联引起的局部相分离机理竞争决定.

过渡区p型氢化硅氧薄膜结构和光电特性的研究
Structural and optoelectronic properties of p-type SiO:H films deposited in transition zone

李同锴, 徐征, 赵谡玲, 徐叙瑢, 薛俊明
物理学报. 2017, 66 (19): 196801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.196801
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摘要

采用射频等离子体增强化学气相沉积技术,利用二氧化碳(CO2)、氢气(H2)、硅烷(SiH4)和乙硼烷(B2H6)作为气源,制备出一系列p型氢化硅氧薄膜.利用拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱和暗电导测试,研究了不同二氧化碳流量对薄膜材料结构和光电特性的影响,获得了从纳米晶相向非晶相转变的过渡区p层.研究表明:随着二氧化碳流量从0增加到1.2 cm3· min-1,拉曼光谱的峰值位置从520 cm-1逐渐移至480 cm-1.材料红外光谱表明,随着二氧化碳流量的增加,薄膜中的氧含量逐渐增加,氢键配置逐渐由硅单氢键转换为硅双氢键.P层SiO:H薄膜电导率从3 S/cm降为8.3×10-6 S/cm.所有p型SiO:H薄膜的光学带隙(Eopt)都在1.82–2.13 eV之间变化.在不加背反射电极的条件下,利用从纳米晶相向非晶相转变的过渡区p层作为电池的窗口层,且在P层和I层之间插入一定厚度的缓冲层,制备出效率为8.27%的非晶硅薄膜电池.

基于滑动势能面的二维材料原子尺度摩擦行为的量化计算
Quantitative calculation of atomic-scale frictional behavior of two-dimensional material based on sliding potential energy surface

史若宇, 王林锋, 高磊, 宋爱生, 刘艳敏, 胡元中, 马天宝
物理学报. 2017, 66 (19): 196802      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.196802
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摘要

近年来,二维材料优异的摩擦特性成为人们关注的焦点,然而目前缺乏理论上对其摩擦力进行快速、有效、精确的计算预测方法.本文提出采用密度泛函理论计算真实体系的滑动势能面,利用得到的“数值型势能面”替代传统的解析势函数,并结合Prandtl-Tomlinson模型,量化求解具有复杂形状势能面的真实二维材料体系的摩擦行为.基于该方法,揭示了原子力显微镜实验中观察到的石墨烯Moiré纹超晶格结构的双周期“黏-滑”摩擦现象;理论预测了二维材料异质结构的层间超低摩擦现象,相对于同质材料,其静摩擦力和滑动摩擦力均成数量级降低,发现势能面起伏和驱动弹簧刚度均会影响层间相对滑动路径,进而对层间的摩擦行为产生影响.该方法同样可拓展到其他van der Waals作用主导的界面摩擦体系.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

基于原位等离子体氮化及低压化学气相沉积-Si3N4栅介质的高性能AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件的研究
High-performance AlGaN/GaN MIS-HEMT device based on in situ plasma nitriding and low power chemical vapor deposition Si3N4 gate dielectrics

李淑萍, 张志利, 付凯, 于国浩, 蔡勇, 张宝顺
物理学报. 2017, 66 (19): 197301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.197301
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摘要

通过对低压化学气相沉积(LPCVD)系统进行改造,实现在沉积Si3N4薄膜前的原位等离子体氮化处理,氮等离子体可以有效地降低器件界面处的氧含量和悬挂键,从而获得了较低的LPCVD-Si3N4/GaN界面态,通过这种技术制作的MIS-HEMTs器件,在扫描栅压范围VG-sweep=(-30 V,+24 V)时,阈值回滞为186 mV,据我们所知为目前高扫描栅压VG+(>20 V)下的最好结果.动态测试表明,在400 V关态应力下,器件的导通电阻仅仅上升1.36倍(关态到开态的时间间隔为100 μups).

表面钝化效应对GaAs纳米线电子结构性质影响的第一性原理研究
Effect of surface passivation on the electronic properties of GaAs nanowire:A first-principle study

张勇, 施毅敏, 包优赈, 喻霞, 谢忠祥, 宁锋
物理学报. 2017, 66 (19): 197302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.197302
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摘要

纳米线表面存在大量的表面态,它们能够引起电子分布在纳米线表面,使得纳米线的电学性质对表面条件变得更加敏感,严重地制约器件的性能.表面钝化能够有效地移除纳米线的表面态,进而能够有效地优化器件的性能.采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了表面钝化效应对GaAs纳米线电子结构性质的影响.考虑了不同的钝化材料,包括氢元素、氟元素、氯元素和溴元素.研究结果表明:具有小尺寸的GaAs裸纳米线的能带结构呈间接带隙特征,表面经过完全钝化后,转变为直接带隙特征;GaAs纳米线表面经过氢元素不同位置和不同比例钝化后,展示出不同的电学性质;表面钝化的物理机理是钝化原子与纳米线表面原子通过电荷补偿移除纳米线表面的电子态;与氢元素钝化相比,GaAs纳米线表面经过氟元素、氯元素和溴元素钝化后,带隙宽度较小,原因是氟元素、氯元素和溴元素在钝化过程中具有较小的电荷补偿能力,不能完全移除表面态.

反对称Spin-1/2阻挫钻石链的基态和磁化行为研究
Ground-state and magnetization behavior of the frustrated spin-1/2 antisymmetric diamond chain

赵阳, 齐岩, 杜安, 刘佳, 肖瑞, 单莹, 吴忧, 杨思浩
物理学报. 2017, 66 (19): 197501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.197501
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摘要

对含有次近邻节点自旋交换耦合的自旋-1/2伊辛-海森伯钻石链体系进行了研究,利用矩阵对角化和传递矩阵方法对基态磁相和宏观热力学量进行了严格求解,重点探讨了所有交换耦合均为反铁磁耦合时,体系节点伊辛自旋间次近邻相互作用的影响.研究结果表明次近邻节点伊辛自旋存在反铁磁耦合时会增强系统的阻挫效应,引入破坏平移对称性的经典亚铁磁相,使基态呈现出上上上下上上的自旋构型以及磁化曲线新颖的2/3磁化平台,丰富了体系的基态相图和宏观磁性行为.

物理学交叉学科及有关科学技术领域

基于聚多巴胺/氧化锌复合阴极缓冲层的倒置聚合物太阳能电池的研究
Mechanism of inverted polymer solar cells based on poly(dopamine)/ZnO as composite cathode buffer layer

李琦, 章勇
物理学报. 2017, 66 (19): 198201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.198201
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摘要

利用多巴胺氧化自聚合形成聚多巴胺(PDA)与ZnO结合形成PDA/ZnO复合阴极缓冲层,制备了以P3HT:PC61BM为活性层的倒置结构聚合物太阳能电池,通过改变PDA的自聚合时间来分析复合阴极缓冲层对器件性能的影响.实验发现,随着PDA的自聚合时间的增加,聚合物太阳能电池的光电转换效率先增大后减小,当自聚合时间为10 min时,相应器件光伏性能达到最优值,其开路电压Voc为0.66 V,短路电流密度Jsc为9.70 mA/cm2,填充因子FF为68.06%,光电转换效率PCE为4.35%.器件性能改善的原因是由于PDA/ZnO复合阴极缓冲层减小了ZnO与ITO之间的接触电阻,同时PDA中存在大量的氨基有利于倒置太阳能电池阴极对电子的收集.

基于超导纳米线单光子探测器深空激光通信模型及误码率研究 Hot!
Model of bit error rate for laser communication based on superconducting nanowire single photon detector

闫夏超, 朱江, 张蜡宝, 邢强林, 陈亚军, 朱宏权, 李舰艇, 康琳, 陈健, 吴培亨
物理学报. 2017, 66 (19): 198501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.198501
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摘要

高速深空通信是深空探测的关键技术之一,具备单光子灵敏度的激光通信系统将大大提高现有的深空通信速度.然而,单光子条件下的激光通信不仅需要考虑传输环境的影响,还需要考虑实际单光子探测器性能和光子数量子态的分布.本文在不考虑大气湍流影响的情况下,以光电探测模型为基础,引入超导纳米线单光子探测器(SNSPD)系统的探测效率和暗计数,建立了反应系统差错性能的数学模型,提出了系统误码率的计算公式.先对公式中的光强和激光脉冲重复频率对误码率的影响进行仿真,再通过实验结果验证仿真模型.结果表明,光强对误码率的影响最明显,随着光强从0.01光子/脉冲到1000光子/脉冲的增加,误码率从10-1到10-7量级明显下降;激光脉冲重复频率对误码率的影响受到不同光强的制约,但都随着脉冲重复频率的增加呈下降趋势.与此同时,当增加光强或者提高速度时,误码率高于仿真结果,约在10-4量级,其原因可能是实际通信中调制光信号的消光比不足和光纤引入背景噪声提高了系统暗计数.以上模型和实验结果为进一步开展基于SNSPD的月球-地球、火星-地球等高速深空激光通信奠定了基础.

高性能SOI基GePIN波导光电探测器的制备及特性研究
Fabrication and characteristics of high performance SOI-based Ge PIN waveguide photodetector

王尘, 许怡红, 李成, 林海军
物理学报. 2017, 66 (19): 198502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.198502
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摘要

本文报道了在SOI衬底上外延高质量单晶Ge薄膜并制备高性能不同尺寸Ge PIN波导光电探测器.通过采用原子力显微镜、X射线衍射、拉曼散射光谱表征外延Ge薄膜的表面形貌、晶体质量以及应变参数,结果显示外延Ge薄膜中存在约0.2%左右的张应变,且表面平整,粗糙度为1.12 nm.此外,通过暗电流、光响应度以及3 dB带宽的测试来研究波导探测器的性能,结果表明尺寸为4 μm×20 μm波导探测器在-1 V的反向偏压下暗电流密度低至75 mA/cm2,在1.55 μm波长处的响应度为0.58 A/W,在-2 V的反向偏压下的3 dB带宽为5.5 GHz.

基于石墨烯电极的Co-Salophene分子器件的自旋输运
Spin-dependent transport properties of a Co-Salophene molecule between graphene nanoribbon electrodes

陈伟, 陈润峰, 李永涛, 俞之舟, 徐宁, 卞宝安, 李兴鳌, 汪联辉
物理学报. 2017, 66 (19): 198503      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.198503
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摘要

采用基于非平衡格林函数结合第一性原理的密度泛函理论的计算方法,研究了基于锯齿型石墨纳米带电极的Co-Salophene分子器件的自旋极化输运性质.计算结果表明,当左右电极为平行自旋结构时,自旋向上的电流明显大于自旋向下的电流,自旋向下的电流在[-1 V,1 V]偏压下接近零,分子器件表现出优异的自旋过滤效应.与此同时,在自旋向上电流中发现负微分电阻效应.当左右电极为反平行自旋结构时,器件表现出双自旋过滤和双自旋分子整流效应.除此之外,整个分子器件还表现出较高的巨磁阻效应.通过分析器件的自旋极化透射谱、局域态密度、电极的能带结构和分子自洽投影哈密顿量,详细解释该分子器件表现出众多特性的内在机理.研究结果对设计多功能分子器件具有重要的借鉴意义.


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