物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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用于CARS激发源的全光纤飞秒脉冲谱压缩
江俊峰, 黄灿, 刘琨, 张永宁, 王双, 张学智, 马喆, 陈文杰, 于哲, 刘铁根
物理学报. 2017, 66 (20): 204207
单晶金刚石氢终端场效应晶体管特性
任泽阳, 张金风, 张进成, 许晟瑞, 张春福, 全汝岱, 郝跃
物理学报. 2017, 66 (20): 208101
融合散斑干涉技术的阵列式洛伦兹力微颗粒探测方法
代尚军, 吴思进, 王晓东, 史祎诗
物理学报. 2017, 66 (20): 208102
物理学报  
   物理学报--2017, 66 (20)   发布日期: 2017-10-20
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总论

动态突触、神经耦合与时间延迟对神经元发放的影响
Effects of dynamic synapses, neuronal coupling, and time delay on firing of neuron

于文婷, 张娟, 唐军
物理学报. 2017, 66 (20): 200201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.200201
全文: [PDF 746 KB] 下载:(353)
摘要

神经元膜电位的受激发放在神经系统的信息传递中起着重要作用.基于一个受动态突触刺激的突触后神经元发放模型,采用数值模拟和傅里叶变换分析的方法研究了动态突触、神经耦合与时间延迟对突触后神经元发放的影响.结果发现:突触前神经元发放频率与Hodgkin-Huxley神经元的固有频率发生共振决定了突触后神经元发放的难易,特定频率范围内的电流刺激有利于神经元激发,动态突触输出的随机突触电流中这些电流刺激所占的比率在很大程度上影响了突触后神经元的发放次数;将突触后神经元换成神经网络后,网络中神经元之间的耦合可以促进神经元的发放,耦合中的时间延迟可以增强这种促进作用,但是不会改变神经耦合对神经元发放的促进模式.

基于量子相干性的四体贝尔不等式构建
Four-partite Bell inequalities based on quantum coherence

叶世强, 陈小余
物理学报. 2017, 66 (20): 200301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.200301
全文: [PDF 513 KB] 下载:(230)
摘要

贝尔不等式在定域性和实在性的双重假设下,对于被分隔的粒子同时被测量时其结果的可能关联程度建立了一个严格的限制,违反贝尔不等式确保量子态存在纠缠.本文利用量子相干性的l1和相对熵测度构建了四体量子贝尔不等式,发现一般实系数Greenberger-Horne-Zeilinger纯态和簇纯态总是违反四体相对熵相干性测度贝尔不等式,因此违反四体相对熵相干性测度贝尔不等式的这些态是纠缠态.

基于心脏腔式结构的心电图元胞自动机建模
A cellular automaton model for electrocardiogram considering the structure of heart

张学良, 谭惠丽, 唐国宁, 邓敏艺
物理学报. 2017, 66 (20): 200501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.200501
全文: [PDF 6066 KB] 下载:(129)
摘要

建立了包含心房肌、心室肌、房室腔、室间隔并考虑心室肌分层结构的心电图元胞自动机模型.利用所建立的模型,仿真了电信号在心脏中的传导,计算了正常和缺血情况下的场点电势走势.数值结果表明:正常情况下,模拟所得的场点电势呈现与标准心电图一致的P波、QRS波群、T波和J波;在心内膜下肌细胞缺血情况下,出现T波倒置的现象;在心外膜下肌细胞缺血情况下,T波变得高耸;在透壁缺血情况下,T波提前形成,QT间期缩短.将正常和异常情况下的场点电势走势与临床结果进行了对比,并分析了其形成与持续机制.研究结果可为准确阐明心电图与心肌细胞电活动之间的关系、探讨心电图的产生与持续机制提供参考.

长距离多站点高精度光纤时间同步
High-precision long-haul fiber-optic time transfer between multi stations

陈法喜, 赵侃, 周旭, 刘涛, 张首刚
物理学报. 2017, 66 (20): 200701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.200701
全文: [PDF 2261 KB] 下载:(135)
摘要

为了保证长距离多站点间的高精度时间同步,在利用双向时间比对法实现高精度长距离时间同步的基础上,提出了一种利用一个波长信道同时对1 PPS (pluse per second)信号、时码信号以及10 MHz信号进行传递,并使用时分多址和净化再生的方式实现多站点高精度光纤时间同步的方法.以自行研制的工程样机在长度约550 km的实验室光纤链路以及871.6 km的实地光纤链路上进行了实验验证.在实验室光纤链路上,同时在50,300,550 km处测量得到的时间同步标准差分别为16.7,16.8,18.4 ps,时间稳定度分别为1.78 ps@1000 s,2.09 ps@1000 s,2.92 ps@1000 s.在实地光纤链路上,实现了光纤链路沿途11个站点的时间同步,测得871.6 km传递链路的时间同步标准差为29.8 ps,时间稳定度为3.85 ps@1000 s,不确定度为25.4 ps.

原子和分子物理学

电子碰撞Ne和类Ne离子电离的三重微分截面理论研究
Theoretical studies of triple differential cross sections for electron impact ionization with neon and neon-like ions

周丽霞, 张燕, 燕友果
物理学报. 2017, 66 (20): 203401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.203401
全文: [PDF 606 KB] 下载:(104)
摘要

采用扭曲波玻恩近似理论计算了共面对称几何条件下类Ne离子2p轨道电子在不同出射电子能量下的(e,2e)反应三重微分截面,出射电子能量分别为3,5,7.5,10,15,20,30和50 eV.计算结果表明,随着出射电子能量的增大和核电荷数Z的增大,三重微分截面的幅度逐渐减小.除Ne以外,对其他离子,在出射电子角度为150°附近出现了一个新的结构,对比不同出射电子能量时的(e,2e)反应三重微分截面,发现这个结构的幅度随着出射电子的能量先增大后减小,文中用一种两次两体碰撞过程对这些现象进行了解释.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

基于石墨烯的太赫兹波散射可调谐超表面
Graphene based tunable metasurface for terahertz scattering manipulation

张银, 冯一军, 姜田, 曹杰, 赵俊明, 朱博
物理学报. 2017, 66 (20): 204101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.204101
全文: [PDF 715 KB] 下载:(330)
摘要

设计了一个可调谐的太赫兹超表面,由在随机反射超表面基底中嵌入可偏置的双层石墨烯构成,可以实现对太赫兹波散射特性的动态调控.全波仿真试验结果证实了所预期的超表面散射可调性能.通过增大偏置电压提升石墨烯的费米能级,使得该超表面的太赫兹波散射样式从漫反射逐渐向镜面反射过渡,从而实现散射特性的连续调控,且该超表面具有对电磁波极化角度不敏感的特点.这些特性使得该超表面能很好地融合到变化的环境中,在太赫兹隐身方面具有潜在的应用价值.

高极化纯度的超表面透镜设计与应用
Design and application of high polarized purity metasurface lens

高向军, 朱莉, 郭文龙
物理学报. 2017, 66 (20): 204102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.204102
全文: [PDF 973 KB] 下载:(219)
摘要

针对超表面在透镜方面的应用,基于各向异性超表面单元设计了一款高极化纯度的聚焦超表面透镜,并探讨了其在高增益高极化纯度天线方面的应用.设计了一款具有极化滤波特性的各向异性超表面单元,单元对x极化波保持高透性的同时,对y极化波保持近乎为零的透射率.利用该型单元设计了焦距为30 mm、阵列大小为105 mm×105 mm、单元数为21×21的聚焦超表面透镜.根据光路可逆原理,焦点处发出的球面波被超表面透镜有效转化为平面波,从而达到提高天线增益的目标.实验中分别用不同极化形式的球面波照射聚焦超表面来研究超表面对不同极化波的控制特性.结果表明,x极化波照射时,超表面工作于透镜模式,球面波转化为平面波,天线增益大大提高;y极化波照射时,超表面类似于金属板,将入射波全部反射;x/y极化混合波照射时,天线增益大大提高,且极化隔离度高于25 dB,充分说明设计的聚焦超表面在提高x极化波增益的同时可高效滤除y极化波,达到了高增益高极化纯度的目标.

可用于拓宽光波单向传输带宽的光子晶体异质结构界面
Interface of photonic crystal heterostructure for broadening bandwidth of unidirectional light transmission

费宏明, 徐婷, 刘欣, 林瀚, 陈智辉, 杨毅彪, 张明达, 曹斌照, 梁九卿
物理学报. 2017, 66 (20): 204103      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.204103
全文: [PDF 529 KB] 下载:(174)
摘要

基于光波单向传输的全光二极管在集成光通信、全光网络和光信息处理中有重要应用.基于方向带隙失配设计的光子晶体异质结构可实现光波单向传输,但正向透射率较低,带宽较窄.基于对光子晶体异质界面倾斜角度的研究,根据界面全反射条件,利用可集成材料硅和二氧化硅设计了一种空气孔型二维光子晶体异质结构.异质结构界面两侧的光子晶体对1550 nm波长附近的TE模光波在Γ-X方向均呈导带,避免了方向带隙失配.研究发现当异质界面满足全反射条件时,由于光子晶体的自准直效应,较宽波段的正向光波得以高效传播,而反向光波在界面由于全反射而被禁止传播.光子晶体异质结构界面的全反射效应打破了方向带隙对光波单向传输的限制,使得反向光波在光子晶体中为导带时同样可实现近零透射率,从而拓宽了光波单向传输的波长范围.基于全反射界面的光子晶体异质结构经过优化后,其正向透射率达0.64,透射对比度为0.97,单向传输带宽可达553 nm.

基于格林函数法的奇型Mathieu-Gaussian光束
Odd version Mathieu-Gaussian beam based on Green function

吴琼, 任志君, 杜林岳, 胡海华, 顾颖, 杨朝凤
物理学报. 2017, 66 (20): 204201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.204201
全文: [PDF 343 KB] 下载:(175)
摘要

根据光束传播的独立性和叠加性原理,引入了一组能够产生第一类(2n+2阶)奇型Mathieu-Gaussian光束的虚光源点.利用虚源点技术和格林函数法,计算得到第一类奇型Mathieu-Gaussian光束的严格解析积分表达式.利用该表达式得到了轴上光场分布的积分解析解.以三阶非旁轴修正为例,得到了第一类奇型Mathieu-Gaussian光束保留到三阶非旁轴修正项的轴上光场分布精确解.

剪切光束成像技术对纵深目标的成像
Sheared-beam imaging of object with depth information

兰富洋, 罗秀娟, 陈明徕, 张羽, 刘辉
物理学报. 2017, 66 (20): 204202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.204202
全文: [PDF 1138 KB] 下载:(110)
摘要

剪切光束成像技术是一种能透过大气湍流对远距离目标实现高分辨率成像的主动成像技术.现有相关研究中所采用的目标均为二维平面目标,然而现实中的目标一般都具有三维形貌,目标纵深对回波信号产生的延迟或对成像质量产生不利影响.从剪切光束成像理论出发,在二维目标成像模型的基础上建立了三维纵深目标成像模型,并利用该模型研究了两剪切光与参考光间的频差及目标纵深对成像的影响.仿真结果表明,随着拍频的增大,重构图像质量逐渐下降.剪切光束成像技术可通过减小拍频来提高真实目标成像质量.

一种基于金刚石多层波导结构微环谐振器的仿真分析
Simulation analysis of micro-ring resonator based on diamond multilayer waveguide structure

李志全, 白兰迪, 顾而丹, 谢锐杰, 刘同磊, 牛力勇, 冯丹丹, 岳中
物理学报. 2017, 66 (20): 204203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.204203
全文: [PDF 490 KB] 下载:(206)
摘要

提出了一种以金刚石新型材料为芯层的单微环谐振器模型.谐振器的纵切面采用五层脊形波导结构,中间一层设定为金刚石,上下两侧分别是SiO2和As2S3,即As2S3-SiO2-金刚石-SiO2-As2S3.设置操作波长为1550 nm,依据耦合膜理论和微环谐振理论,利用Comsol软件仿真模拟了单直波导纵切面、直波导和环形波导耦合区的纵切面以及微环在谐振波长为1543 nm时的场强分布,及直波导和环形波导耦合区间距改变时微环的场强分布和传输特性.在此基础上,依据传输矩阵法讨论了微环的品质因数、耦合系数变化对输出光谱的影响,并对微环损耗进行了讨论.结果表明:以金刚石为芯层的微环谐振器具有良好的光学特性,本结构在谐振波长为1543 nm时谐振峰值达到了-12 dB以上,品质因数达到了1.54×105,在耦合系数为0.01时,自由光谱范围约为40 nm.

基于TDLAS技术的水汽低温吸收光谱参数测量
Measuring spectral parameters of water vapor at low temperature based on tunable diode laser absorption spectroscopy

聂伟, 阚瑞峰, 许振宇, 姚路, 夏晖晖, 彭于权, 张步强, 何亚柏
物理学报. 2017, 66 (20): 204204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.204204
全文: [PDF 539 KB] 下载:(190)
摘要

精确的气体光谱参数对气体浓度、温度等的光谱精确反演测量具有十分重要的意义,针对当前主流光谱数据库(例如HITRAN)中数据与实际数值存在相当误差的问题,自主研制了一套基于静态冷却技术的低温光谱实验平台,用于精确测量低温下的气体吸收光谱参数.运用该低温光谱实验平台,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术测量了温度为230–340 K、压强为10–1000 Pa时7240–7246 cm-1波段的纯水汽振转跃迁光谱.采用Voigt线型多峰拟合方法,获得了5条水汽振转跃迁谱在不同温度、不同压强下的积分吸光度值及洛伦兹展宽值,运用线性拟合的方法得到这5条吸收线的自展宽半峰全宽系数及参考温度下的线强值.运用不确定度传递公式,计算得到实验结果的不确定度,与HITRAN2012数据库中的线参数进行对比,所测的5条吸收线中实验结果与数据库值最大相差10.96%,且实验结果的不确定度为1.11%–2.98%(置信概率p=95%,包含因子k=2),小于HITRAN2012数据库值的不确定度.

基于半解析自洽理论研究相对论激光脉冲驱动下阿秒X射线源的产生
Attosecond X-ray generation driven by the relativistic laser pulse based on the semi-analytical self-consistent theory

王少义, 谭放, 吴玉迟, 范全平, 矫金龙, 董克攻, 钱凤, 曹磊峰, 谷渝秋
物理学报. 2017, 66 (20): 204205      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.204205
全文: [PDF 888 KB] 下载:(106)
摘要

发展了一种描述相对论激光脉冲与稠密等离子体相互作用产生阿秒X射线源的半解析自洽理论.该理论模型不仅可以获得等离子体界面的振荡轨迹、振荡面电场和磁场等物理参数,而且能够精确计算出激光脉冲驱动下阿秒X射线源的频谱,结果与粒子模拟程序一致.理论计算结果表明阿秒X射线源的辐射特性与等离子体界面随时演化过程相关,在周期量级激光场驱动下等离子体界面振荡振幅呈现中心不对称,通过改变激光场的载波包络相位实现对等离子体界面振荡的控制,获得准单阿秒X射线源.

共掺杂Ce3+调控β-NaLuF4:Yb3+/Ho3+纳米晶体的上转换荧光发射
Tuning upconversion fluorescence emission of β-NaLuF4:Yb3+/Ho3+ nanocrystals through codoping Ce3+ ions

高伟, 董军
物理学报. 2017, 66 (20): 204206      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.204206
全文: [PDF 809 KB] 下载:(83)
摘要

在980 nm近红外光激发下,通过共掺杂Ce3+离子调控六方相NaLuF4:Yb3+/Ho3+纳米晶体的上转换荧光发射.实验结果表明,当掺杂Ce3+离子浓度从0增加到12.0%时,Ho3+离子的上转换荧光发射实现了由绿光向红光的转变,其红绿比提高了近24倍.根据Ho3+离子的能级结构发现,Ho3+离子的红光发射源自5F5能级到5I8能级的辐射跃迁,因此要增强红光发射,必须提高该能级粒子数布居.Ho3+与Ce3+离子之间相近的能级差促使它们之间产生了共振交叉弛豫,从而有效地提高了Ho3+离子5F5能级的粒子数布居,增强了红光发射.同时对Ho3+离子的上转换调控机理进行讨论,并借助不同的激发策略,进一步证实了Ho3+与Ce3+离子之间相互作用的发生.

用于CARS激发源的全光纤飞秒脉冲谱压缩 Hot!
All-fiber spectral compression of femtosecond pulse for coherent anti-Stokes Raman scattering excitation source

江俊峰, 黄灿, 刘琨, 张永宁, 王双, 张学智, 马喆, 陈文杰, 于哲, 刘铁根
物理学报. 2017, 66 (20): 204207      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.204207
全文: [PDF 610 KB] 下载:(103)
摘要

进行了基于光纤预啁啾和自相位调制的多模/单模组合式全光纤啁啾谱压缩研究.提出利用多模光纤模式估计群速度色散均值的方法,并将该估计值作为啁啾参量分析的计算参数,仿真计算了50/125 μm折射率渐变多模光纤的群速度色散均值及其与单模光纤在不同长度比值下的光谱压缩效果.采用三种折射率渐变多模光纤进行实验,对比分析了折射率渐变多模光纤的芯径大小及其与单模光纤的长度比值对光谱压缩效果的影响.实验结果表明使用50/125 μm折射率渐变多模光纤获得光谱最大压缩比为5.796,谱宽为2.243 nm,与理论仿真一致;使用105/125 μm折射率渐变多模光纤,可进一步提高压缩比至152.941,输出谱宽为0.085 nm的光脉冲.将此脉冲用于相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测,理论光谱分辨率可达1.386 cm-1.

warping变换提取单模态反演海底衰减系数
Inversion of seabed attenuation by using single mode extracted by warping transform

李佳蔚, 鹿力成, 郭圣明, 马力
物理学报. 2017, 66 (20): 204301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.204301
全文: [PDF 722 KB] 下载:(113)
摘要

为了获得浅海海底地声模型参数,利用warping变换方法分离出单模态简正波.对于接收深度固定、定深爆炸声源情况,以简正波理论为基础定义了距离归一化的简正波传播损失,并且其随传播的距离呈线性关系,故可通过此变化规律得到声压值实部的衰减因子,进而可求得海底地声模型参数:海底衰减系数.为验证此方法的有效性,仿真了warping变换提取单模态简正波的过程,同时将warping变换提取的单模态简正波与数值计算的结果进行比较验证;并针对某次黄海试验数据进行了处理,得到在150–550 Hz频带范围内海底衰减随频率的变化规律为α=0.581fk1.86(dB/m).通过与其他学者在相同海域试验结果的对比验证,变化规律基本相同.此外不同模态间反演相同频点的衰减系数接近也较好地支撑了结果.

离散发热器件基于(火积)耗散率最小和最高温度最小的构形优化比较
Comparative studies on constructal optimizations of discrete heat generation components based on entransy dissipation minimization and maximum temperature minimization

王刚, 谢志辉, 范旭东, 陈林根, 孙丰瑞
物理学报. 2017, 66 (20): 204401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.204401
全文: [PDF 482 KB] 下载:(68)
摘要

建立了导热基座上圆柱体离散发热器件的三维湍流散热模型,基于构形理论,考虑空气变物性及可压缩性和黏性耗散,研究了器件材料的热导率、热源强度和流体流速对器件最高温度、基于(火积)耗散定义的当量热阻和平均Nu数的影响.结果表明:在总发热功率一定的条件下,以器件最高温度和当量热阻为性能指标进行热设计,均存在最优热源强度分布使得散热性能最优.当各热源强度相同且热源热导率小于基座热导率时,提高热源热导率可明显改善散热性能;将热源热导率沿流动方向从低到高布置可降低器件最高温度,而将热源热导率均匀布置可使当量热阻最小.所得结果可为实际热设计中不同材质和不同发热率的电子器件最优布置提供理论支撑.

底部局部加热多孔介质自然对流传热的格子Boltzmann模拟
Simulation of effect of bottom heat source on natural convective heat transfer characteristics in a porous cavity by lattice Boltzmann method

何宗旭, 严微微, 张凯, 杨向龙, 魏义坤
物理学报. 2017, 66 (20): 204402      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.204402
全文: [PDF 2500 KB] 下载:(126)
摘要

运用格子Boltzmann方法研究了底部局部加热多孔介质方腔的自然对流传热.方腔的上壁面为低温热源,下壁面为局部高温热源,左右壁面为绝热条件.重点分析了高温热源位置a及尺寸b对多孔介质方腔自然对流传热性能的影响,提出了平均Nusselt数Nu和位置a及尺寸b的拟合关系式.研究结果表明:高温热源位置及尺寸对多孔介质方腔内自然对流传热性质的影响很大,且存在最佳高温热源位置(a=4/16)和尺寸(b=0.75),以达到最强的对流换热强度(Numax ≈ 10.35)和最大的对流换热量(Qmax ≈ 5.69).

二维颗粒堆积中压力问题的格点系统模型
Lattice model for pressure problems in two-dimensional granular columns

张兴刚, 戴丹
物理学报. 2017, 66 (20): 204501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.204501
全文: [PDF 492 KB] 下载:(105)
摘要

为了便于从理论上探究粮仓效应产生的机理,处理筒仓中颗粒介质的应力分布等问题,将二维颗粒堆积简化为格点系统,并且以随机堆积为物理背景提出了一个由吸收系数p及侧向传递系数q决定的力传递模型.给出了矩阵形式的力传递方程,提出基于二阶差分方程的方法同时求解传递系数矩阵的特征值和特征向量,从理论上导出了一种典型情况下容器底部压力分布与顶部压力分布的关系式.对有效质量随总质量变化关系的理论分析表明,该模型可以给出与Janssen模型类似的结果.对无负载情况下的底部应力分布进行了理论计算,结果表明容器底部中央应力最大,离中央越远应力越小.运用数值计算讨论了pq对容器底部压力随堆积高度变化曲线的影响.

爆轰驱动Cu界面的Richtmyer-Meshkov扰动增长稳定性
Stability analysis of interfacial Richtmyer-Meshkov flow of explosion-driven copper interface

殷建伟, 潘昊, 吴子辉, 郝鹏程, 段卓平, 胡晓棉
物理学报. 2017, 66 (20): 204701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.204701
全文: [PDF 761 KB] 下载:(123)
摘要

研究了爆轰驱动Cu界面的扰动增长过程,分析了不同初始条件下的扰动增长规律和主要失稳机制.研究结果表明:温度相关的熔化失稳和塑性变形相关的拉伸断裂失稳是界面扰动增长过程的主要失稳机制;高能炸药爆轰驱动Cu材料界面时,冲击波加载引起的温升和扰动增长阶段塑性功转换引起的温升不足以熔化Cu材料,拉伸断裂是导致扰动增长不稳定的主要机制;扰动增长非线性阶段尖钉的最大累积有效塑性应变与尖钉振幅之间存在定标关系,结合熔化条件和断裂应变判据建立的尖钉振幅失稳条件可用于分析界面扰动增长的稳定性.

三维边界层内诱导横流失稳模态的感受性机理
Receptivity mechanism of cross-flow instablity modes induced in three-dimensional boundary layer

陆昌根, 朱晓清, 沈露予
物理学报. 2017, 66 (20): 204702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.204702
全文: [PDF 520 KB] 下载:(85)
摘要

边界层感受性问题是层流向湍流转捩的初始阶段,在转捩过程中起关键性作用,尤其是三维边界层流动.因此,研究三维边界层感受性问题对进一步理解层流向湍流转捩机理以及湍流成因具有重要的理论意义.采用数值方法研究自由来流湍流与三维壁面局部粗糙相互作用下三维边界层的感受性问题,确定是否能在三维边界层内寻找一种新的横流失稳模态;确定在何种条件下三维边界层内能诱导出定常、非定常的横流失稳模态;探索自由来流湍流的强度、展向波数和法向波数以及三维壁面局部粗糙的大小和结构类型等因素在自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用下三维边界层内被激发出的感受性过程中有何影响,并确定何种横流失稳模态在三维边界层感受性过程中占据何种地位.对自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用激发三维边界层内感受性问题的深入研究,将有助于完善流动稳定性与湍流理论,为层流向湍流转捩过程的预测与控制提供合理的理论依据.

含振动能激发Boltzmann模型方程气体动理论统一算法验证与分析
Validation and analysis of gas-kinetic unified algorithm for solving Boltzmann model equation with vibrational energy excitation

彭傲平, 李志辉, 吴俊林, 蒋新宇
物理学报. 2017, 66 (20): 204703      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.204703
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摘要

为模拟研究高温高马赫数下多原子气体内能激发对跨流域非平衡流动的影响,将转动能、振动能分别作为气体分子速度分布函数的自变量,把转动能和振动能处理为连续分布的能量模式,将Boltzmann方程的碰撞项分解成弹性碰撞项和非弹性碰撞项,同时将非弹性碰撞按一定松弛速率分解为平动-转动能松弛过程和平动-转动-振动能松弛过程,构造了一类考虑振动能激发的Boltzmann模型方程,并证明了其守恒性和H定理.基于内部能量变量对分布函数无穷积分,引入三个约化速度分布函数,得到一组考虑振动能激发的约化速度分布函数控制方程组,使用离散速度坐标法,基于LU-SGS隐式格式和有限体积法求解离散速度分布函数,建立含振动能激发的气体动理论统一算法.通过开展高稀薄流到连续流圆柱绕流问题统一算法与直接模拟蒙特卡罗法模拟结果对比分析,特别是过渡流区平动、转动、振动非平衡效应对绕流流场与物面力热特性的影响机制,证实了所建立的含振动能激发的Boltzmann模型方程及气体动理论统一算法的准确可靠性.

非对称纳米通道内流体流动与传热的分子动力学
Molecular dynamics simulation of fluid flow and heat transfer in an asymmetric nanochannel

王胜, 徐进良, 张龙艳
物理学报. 2017, 66 (20): 204704      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.204704
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摘要

采用分子动力学方法研究了流体在非对称浸润性粗糙纳米通道内的流动与传热过程,分析了两侧壁面浸润性不对称对流体速度滑移和温度阶跃的影响,以及非对称浸润性组合对流体内部热量传递的影响.研究结果表明,纳米通道主流区域的流体速度在外力作用下呈抛物线分布,但是纳米通道上下壁面浸润性不对称导致速度分布不呈中心对称,同时通道壁面的纳米结构也会限制流体的流动.流体在流动过程中产生黏性耗散,使流体温度升高.增强冷壁面的疏水性对近热壁面区域的流体速度几乎没有影响,滑移速度和滑移长度基本不变,始终为锁定边界,但是会导致近冷壁面区域的流体速度逐渐增大,对应的滑移速度和滑移长度随之增大.此时,近冷壁面区域的流体温度逐渐超过近热壁面区域的流体温度,流体出现反转温度分布,流体内部热流逆向传递.随着两侧壁面浸润性不对称程度增加,流体反转温度分布更加明显.

气体、等离子体和放电物理

用于激光加速质子参数表征的带电粒子活化测谱技术
Charged paricle activation analysis for characterizing parameters of laser-accelerated protons

贺书凯, 刘东晓, 矫金龙, 邓志刚, 滕建, 张博, 张智猛, 洪伟, 谷渝秋
物理学报. 2017, 66 (20): 205201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.205201
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摘要

基于传统带电粒子活化分析技术,发展了一种用于激光加速质子参数表征的带电粒子活化测谱方法.激光加速质子轰击不同厚度铜薄膜组成的诊断滤片堆栈,使铜片活化,通过测量各铜片活度及活性区的大小,获得加速质子的空间积分能谱、角分布等参数.详细讨论了活化测谱的滤片堆栈诊断排布、符合测量及解谱方法,并对该方法的可靠性进行了自洽检验;在XG-Ⅲ皮秒激光装置上开展了带电粒子活化测谱实验,利用该诊断方法,得到了加速质子的角分布、空间积分能谱等参数,实验获得的质子最高截止能量18 MeV,激光能量到质子(>4 MeV)的转换效率为1.07%.

凝聚物质:结构、力学和热学性质

CdZnTe像素探测器的电输运性能
Investigation on electrical transport properties of CdZnTe pixel detector

南瑞华, 王朋飞, 坚增运, 李晓娟
物理学报. 2017, 66 (20): 206101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.206101
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摘要

碲锌镉(CdZnTe)是一种性能优异的室温核辐射半导体探测器材料,广泛应用于核安全、核医学以及空间科学等领域.然而,传统的CdZnTe平面探测器受制于“空穴拖尾”效应的影响,探测性能有待改善.采用改进的垂直布里奇曼法生长的In掺杂Cd0.9Zn0.1Te单晶制备出单载流子收集的4×4像素阵列探测器,通过电流-电压(I-V)测试和γ射线能谱响应测试,研究了像素探测器的电学性能和载流子电输运性能,随之与相应的CdZnTe平面探测器进行了性能对比.结果表明,CdZnTe像素探测器的电阻率约为1.73×10 Ω·cm,且施加100 V偏压后单像素点的最大漏电流小于2.2 nA;当施加偏压升高至300 V时,单像素点对241Am@59.5 keV的γ射线的最佳能量分辨率可达5.78%,探测性能优于相同条件下制备的CdZnTe平面探测器.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

高低温条件下氟化锂材料的离子激发发光光谱分析
Ion beam induced luminescence spectra of lithium fluoride at high-and low-temperature

仇猛淋, 王广甫, 褚莹洁, 郑力, 胥密, 殷鹏
物理学报. 2017, 66 (20): 207801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.207801
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摘要

在北京师范大学GIC4117串列加速器原有离子激发发光(ion beam induced luminescence,IBIL)分析靶室基础上,安装了可实现80–900 K温度范围内精确控温的冷热样品台,实现高低温条件下IBIL光谱的测量.添加金硅面垒探测器,在离子辐照材料样品过程中同步采集背散射离子的计数,实现束流的在线监测.在不同温度下,利用2 MeV H+束轰击氟化锂样品,获得的IBIL光谱中可明显观察到温度对不同发光中心发光效果的影响:激子峰和杂质峰发光在低温条件下更为清晰;高温时各类型F色心的发光强度在较小的注量下即可达到饱和值或开始衰减.辐照初期受扰激子峰(296 nm)发光强度的上升过程表明不能排除受扰激子峰与点缺陷发光中心相关的可能性,激子峰强度的上升源自低注量时核弹性碰撞产生的应变键;温度对空位迁徙速率及非辐射复合的影响是造成发光强度随注量演变差异的重要原因.

腔体双边二次电子倍增一阶与三阶模式瞬态特性对比
Comparison between the 1st and 3rd order mode temporal characteristics of two-sided multipactor discharge in cavity

董烨, 刘庆想, 庞健, 周海京, 董志伟
物理学报. 2017, 66 (20): 207901      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.207901
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摘要

为评估高阶模式二次电子倍增对加速器射频腔动态建场过程的影响,采用蒙特卡罗与粒子模拟相结合的方法对金属无氧铜腔体双边二次电子倍增一阶与三阶模式的瞬态演化及饱和特性进行了数值模拟对比研究.研究结果表明:二次电子倍增过程中,二次电子数目、放电电流、放电功率、沉积功率随时间呈现以指数形式快速增长后趋于饱和振荡的物理规律;相对一阶模式,三阶模式的饱和值更低且上升时间更长.放电电流存在延时现象,由此引发了二次电子倍增过程中部分充电现象的出现.统计发现平均放电功率等于平均沉积功率,三阶模式的放电功率大约是一阶模式1%的水平,由此判断加速器腔体动态建场过程中高阶模式的影响较小.二次电子倍增过程中,一阶模式呈现单电子束团加速运动特性,而三阶模式则呈现加速/减速/加速及多电子束团相向运动的复杂特性;二次电子倍增进入饱和后,三阶模式的空间电荷效应明显弱于一阶模式.

物理学交叉学科及有关科学技术领域

单晶金刚石氢终端场效应晶体管特性 Hot!
Characteristics of H-terminated single crystalline diamond field effect transistors

任泽阳, 张金风, 张进成, 许晟瑞, 张春福, 全汝岱, 郝跃
物理学报. 2017, 66 (20): 208101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.208101
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摘要

基于微波等离子体化学气相淀积生长的单晶金刚石制作了栅长为2 μm的耗尽型氢终端金刚石场效应晶体管,并对器件特性进行了分析.器件的饱和漏电流在栅压为-6 V时达到了96 mA/mm,但是在-6 V时栅泄漏电流过大.在-3.5 V的安全工作栅压下,饱和漏电流达到了77 mA/mm.在器件的饱和区,宽5.9 V的栅电压范围内,跨导随着栅电压的增加而近线性增大到30 mS/mm.通过对器件导通电阻和电容-电压特性的分析,氢终端单晶金刚石的二维空穴气浓度达到了1.99×1013 cm-2,并且迁移率和载流子浓度均随着栅压向正偏方向的移动而逐渐增大.分析认为,沟道中高密度的载流子、大的栅电容以及迁移率的逐渐增加是引起跨导在很大的栅压范围内近线性增加的原因.

融合散斑干涉技术的阵列式洛伦兹力微颗粒探测方法 Hot!
Lorentz force particle analyzer with an array probe based on speckle pattern interferometry

代尚军, 吴思进, 王晓东, 史祎诗
物理学报. 2017, 66 (20): 208102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.208102
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摘要

提出了一种阵列式洛伦兹力微颗粒探测法,该方法结合了散斑干涉技术的全场位移测量、分辨率高等特性与洛伦兹力微颗粒探测法中探测量为矢量、可探测内部缺陷等优势,探索了一种实时、在线、原位的缺陷检测方法.针对阵列式洛伦兹力微颗粒探测法中阵列式排布的多个悬臂梁位移测量问题,设计了大剪切数字散斑干涉系统,使来自于被测悬臂梁和安装悬臂梁的横梁的反射光发生干涉,形成剪切干涉,通过对相位差进行分析获得悬臂梁的绝对位移,并且以洛伦兹力及悬臂梁末端的位移量为中间量建立了散斑干涉相位差与缺陷体积之间的关系.本文通过实验成功获得了悬臂梁全场位移量以及缺陷的体积,通过散斑干涉的方法测量悬臂梁位移量理论分辨率可达30 nm,这使洛伦兹力微颗粒探测法具备了微米级缺陷的探测能力.

无锂助熔剂B2O3对Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3固体电解质离子电导率的影响
Effect of lithium-free flux B2O3 on the ion conductivity of Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 solid electrolyte

史茂雷, 刘磊, 田芳慧, 王鹏飞, 李嘉俊, 马蕾
物理学报. 2017, 66 (20): 208201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.208201
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摘要

采用固相法制备锂离子电池用固体电解质磷酸钛锂铝Li1.3Al0.3Ti1.7(PO43(LATP),研究了不同烧结温度以及助熔剂对LATP固体电解质离子电导率的影响.采用X射线衍射、能谱分析、扫描电镜和交流阻抗等方法,研究样品的结构特征、元素含量、形貌特征以及离子导电性能.结果表明,在900℃烧结可以获得结构致密、离子电导率较高的纯相LATP陶瓷固体电解质.与添加助熔剂LiBO2的样品进行对比实验发现,采用B2O3代替LiBO2作为助熔剂也可以提高烧结样品的离子电导率,并且电解质的离子电导率随助熔剂添加量的增大,先增大后减小,其中添加质量百分比为2%的B2O3的样品具有最高的室温离子电导率,为1.61×10-3 S/cm.

欠匹配型磁绝缘感应电压叠加器次级阻抗优化方法
Method of optimizing secondary impedances for magnetically-insulated induction voltage adders with impedance under-matched loads

魏浩, 孙凤举, 呼义翔, 邱爱慈
物理学报. 2017, 66 (20): 208401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.208401
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摘要

磁绝缘感应电压叠加器(MIVA)次级阻抗对脉冲功率驱动源和负载之间的功率耦合具有重要影响.基于稳态磁绝缘Creedon层流理论和鞘层电子流再俘获(re-trapping)理论,建立了负载欠匹配型MIVA电路分析方法,数值分析获得了MIVA输出参数(输出电压、阴/阳极电流和电功率)随负载欠匹配程度的变化规律.考虑阴极传导电流作为闪光X射线照相二极管的有效电流,建立了以MIVA末端X射线剂量率最大为目标的次级阻抗优化方法.获得了欠匹配型MIVA次级优化阻抗Zop*的变化规律:随着X射线剂量率对电压依赖程度提高,欠匹配型MIVA次级优化阻抗Zop*呈指数降低;负载阻抗越大,Zop*越大.

石墨烯沟道全自旋逻辑器件开关特性
Switching characteristics of all-spin logic devices based on graphene interconnects

李成, 蔡理, 王森, 刘保军, 崔焕卿, 危波
物理学报. 2017, 66 (20): 208501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.208501
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摘要

由于石墨烯的电导率相比典型的金属材料更大,自旋弛豫时间更长,自旋轨道相互作用更弱,从而在相同的注入电流情况下,自旋电流在石墨烯材料中的耗散作用更弱.基于自旋传输和磁化动力学耦合模型,研究了石墨烯沟道全自旋逻辑器件的开关特性.结果显示,在相同神经元膜电位的受激发放在神经系统的信息传递中起着重要作用.基于一个受动态突触刺激的突触后神经元发放模型,采用数值模拟和傅里叶变换分析的方法研究了动态突触、神经耦合与时间延迟对突触后神经元发放的影响.结果发现:突触前神经元发放频率与Hodgkin-Huxley神经元的固有频率发生共振决定了突触后神经元发放的难易,特定频率范围内的电流刺激有利于神经元激发,动态突触输出的随机突触电流中这些电流刺激所占的比率在很大程度上影响了突触后神经元的发放次数;将突触后神经元换成神经网络后,网络中神经元之间的耦合可以促进神经元的发放,耦合中的时间延迟可以增强这种促进作用,但是不会改变神经耦合对神经元发放的促进模式.

基于微波透射法的金属薄膜方块电阻测量理论及其应用
Theory and verification of a microwave transmission method of measuring sheet resistance of metallic thin film

王露, 叶鸣, 赵小龙, 贺永宁
物理学报. 2017, 66 (20): 208801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.208801
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摘要

贝尔不等式在定域性和实在性的双重假设下,对于被分隔的粒子同时被测量时其结果的可能关联程度建立了一个严格的限制,违反贝尔不等式确保量子态存在纠缠.本文利用量子相干性的l1和相对熵测度构建了四体量子贝尔不等式,发现一般实系数Greenberger-Horne-Zeilinger纯态和簇纯态总是违反四体相对熵相干性测度贝尔不等式,因此违反四体相对熵相干性测度贝尔不等式的这些态是纠缠态.

一种改进的基于信息传播率的复杂网络影响力评估算法
An improved evaluating method of node spreading influence in complex network based on information spreading probability

阮逸润, 老松杨, 王竣德, 白亮, 侯绿林
物理学报. 2017, 66 (20): 208901      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.208901
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摘要

建立了包含心房肌、心室肌、房室腔、室间隔并考虑心室肌分层结构的心电图元胞自动机模型.利用所建立的模型,仿真了电信号在心脏中的传导,计算了正常和缺血情况下的场点电势走势.数值结果表明:正常情况下,模拟所得的场点电势呈现与标准心电图一致的P波、QRS波群、T波和J波;在心内膜下肌细胞缺血情况下,出现T波倒置的现象;在心外膜下肌细胞缺血情况下,T波变得高耸;在透壁缺血情况下,T波提前形成,QT间期缩短.将正常和异常情况下的场点电势走势与临床结果进行了对比,并分析了其形成与持续机制.研究结果可为准确阐明心电图与心肌细胞电活动之间的关系、探讨心电图的产生与持续机制提供参考.

地球物理学、天文学和天体物理学

电磁监测试验卫星离子漂移计探测技术
Ion drift meter aboard China seismo-electromagnetic satellite

郑香脂, 张爱兵, 关燚炳, 刘超, 孙越强, 王文静, 田峥, 孔令高, 丁建京
物理学报. 2017, 66 (20): 209401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.209401
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摘要

为了保证长距离多站点间的高精度时间同步,在利用双向时间比对法实现高精度长距离时间同步的基础上,提出了一种利用一个波长信道同时对1 PPS (pluse per second)信号、时码信号以及10 MHz信号进行传递,并使用时分多址和净化再生的方式实现多站点高精度光纤时间同步的方法.以自行研制的工程样机在长度约550 km的实验室光纤链路以及871.6 km的实地光纤链路上进行了实验验证.在实验室光纤链路上,同时在50,300,550 km处测量得到的时间同步标准差分别为16.7,16.8,18.4 ps,时间稳定度分别为1.78 ps@1000 s,2.09 ps@1000 s,2.92 ps@1000 s.在实地光纤链路上,实现了光纤链路沿途11个站点的时间同步,测得871.6 km传递链路的时间同步标准差为29.8 ps,时间稳定度为3.85 ps@1000 s,不确定度为25.4 ps.


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