物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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光梳主动滤波放大实现锶原子光钟二级冷却光源
徐琴芳, 尹默娟, 孔德欢, 王叶兵, 卢本全, 郭阳, 常宏
物理学报. 2018, 67 (8): 080601
磁性硅烯超晶格中电场调制的谷极化和自旋极化
侯海燕, 姚慧, 李志坚, 聂一行
物理学报. 2018, 67 (8): 086801
铷原子气体自旋噪声谱的测量与改进
尚雅轩, 马健, 史平, 钱轩, 李伟, 姬扬
物理学报. 2018, 67 (8): 087201
物理学报  
   物理学报--2018, 67 (8)   发布日期: 2018-04-20
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综述

锁频锁相的高功率微波器件技术研究
Review on high power microwave device with locked frequency and phase

黄华, 吴洋, 刘振帮, 袁欢, 何琥, 李乐乐, 李正红, 金晓, 马弘舸
物理学报. 2018, 67 (8): 088402      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172684
全文: [PDF 2128 KB] 下载:(324)
摘要

综述了中国工程物理研究院应用电子学研究所锁频锁相的高功率微波器件最新研究成果,主要包括稳频稳相的相对论速调管放大器和注入锁相的相对论返波管振荡器.针对高功率长脉冲相对论速调管研究中遇到的问题,介绍了该放大器的束波互作用特点、杂频振荡抑制、脉冲缩短、高频段高功率运行、高增益等物理、设计与实验中的关键技术研究概况,使其功率、相位稳定性、增益等性能有了显著提高,S波段环形单注相对论速调管实现了高功率稳相输出,重频25 Hz运行时输出功率大于1 GW,脉宽大于150 ns、相位波动18°,高增益运行时在注入微波功率数kW条件下也实现类似功率和相位水平;采用同轴多注器件结构,突破了速调管高频段运行条件下高效率电子束引入和高功率束波转换技术等难题,使X波段相对论速调管在注入功率30 kW条件下实现了功率大于1 GW的放大输出,效率为34%,相位波动为15°.在掌握相对论返波管技术的基础上,利用返波管的高效率和结构紧凑的优点,开展了注入调制电子束锁相的相对论返波管研究,采用百kW级的种子微波实现了对GW量级输出微波的相位锁定.该研究结果对功率合成、粒子加速和多功能雷达等技术具有重要的推动作用.

总论

可压流体Rayleigh-Taylor不稳定性的离散Boltzmann模拟
Discrete Boltzmann simulation of Rayleigh-Taylor instability in compressible flows

李德梅, 赖惠林, 许爱国, 张广财, 林传栋, 甘延标
物理学报. 2018, 67 (8): 080501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171952
全文: [PDF 1613 KB] 下载:(207)
摘要
使用离散Boltzmann模型模拟了可压流体系统中多模初始情况下的Rayleigh-Taylor不稳定性.该离散Boltzmann模型等效于一个Navier-Stokes模型外加一个关于热动非平衡行为的粗粒化模型.通过模拟Riemann问题:Sod激波管、冲击波碰撞和热Couette流问题验证模型的有效性,所得数值结果与解析解一致.利用该模型对界面间断随机多模初始扰动的可压Rayleigh-Taylor不稳定性进行数值模拟研究,得到不稳定性界面演化过程的基本图像.由于黏性和热传导共同作用,一开始扰动界面被“抹平”,演化较慢;随着模式互相耦合而减少,演化开始加速,并经历非线性小扰动阶段和不规则非线性阶段,而后发展成典型的“蘑菇状”,后期进入湍流混合阶段.由于扰动模式的耦合与发展,轻重流体的重力势能、压缩能与动能相互转化,系统先是趋于热动平衡态,而后偏离热动平衡态以线性形式增长,接着再次趋于热动平衡态,最后慢慢远离热动平衡态.

基于大脑情感学习模型和自适应遗传算法的混沌时间序列预测
Chaotic time series prediction based on brain emotional learning model and self-adaptive genetic algorithm

梅英, 谭冠政, 刘振焘, 武鹤
物理学报. 2018, 67 (8): 080502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172104
全文: [PDF 1275 KB] 下载:(338)
摘要

针对传统神经网络预测精度不高、收敛速度慢的问题,提出一种基于大脑情感学习模型和自适应遗传算法的混沌时间序列预测方法.大脑情感学习模型模拟了哺乳动物大脑中杏仁体和眶额皮质之间的情感学习机制,具有计算复杂度低、运算速度快的特点,因此可以大大提高混沌预测的快速性.为了进一步提高大脑情感学习模型的预测精度,采用自适应遗传算法优化其参数,将待优化的权值与阈值分布在染色体基因序列上,用适应度函数选出最佳参数,从而增强了模型的逼近能力.基于Lorenz混沌时间序列和实际地磁Dst指数序列的预测结果表明,本文方法较其他传统方法在预测精度、运算速度和稳定性上均具有明显优势.

Al0.17Ga0.83As/GaAs(001)薄膜退火过程的热力学分析
Thermodynamic analysis of Al0.17Ga0.83As/GaAs (001) in annealing process

王一, 杨晨, 郭祥, 王继红, 刘雪飞, 魏节敏, 郎啟智, 罗子江, 丁召
物理学报. 2018, 67 (8): 080503      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172718
全文: [PDF 492 KB] 下载:(88)
摘要

在As4束流等效压强为1.2×10-3 Pa、退火60 min条件下改变退火温度,对Al0.17Ga0.83As/GaAs薄膜表面平坦化的条件进行了探讨.定量分析了薄膜表面坑、岛与平台的覆盖率和台阶-平台间薄膜粗糙度随退火温度变化的规律,得到最合适的退火温度为545℃(±1℃);根据退火模型发现退火温度的改变会影响参与熟化的原子的数量,熟化原子比θ正比于退火温度,即θT.退火温度540℃条件下退火约60 min,薄膜表面达到基本平坦,推测此时0.20 < θ < 0.25;退火温度为545℃时,推测退火时间约为55–60 min.本实验得到的结论可以为生长平坦的Al0.17Ga0.83As/GaAs薄膜提供理论与实验指导.

光梳主动滤波放大实现锶原子光钟二级冷却光源 Hot!
Optical frequency comb active filtering and amplification for second cooling laser of strontium optical clock

徐琴芳, 尹默娟, 孔德欢, 王叶兵, 卢本全, 郭阳, 常宏
物理学报. 2018, 67 (8): 080601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172733
全文: [PDF 1323 KB] 下载:(112)
摘要

提出一种结合注入锁定技术的主动滤波放大方法,将光梳直接注入锁定至光栅外腔半导体激光器,产生窄线宽激光光源,该光源可以用于锶原子光钟二级冷却.实验中,将中心波长为689 nm,带宽为10 nm的光梳种子光源注入689 nm光栅式外腔半导体激光器,通过半导体增益光谱与半导体光栅外腔,从飞秒光梳的多个纵模梳齿中挑选出一个纵模模式来进行增益放大,再通过模式竞争,实现单纵模连续光输出;同时,光梳的重复频率锁定在线宽为赫兹量级的698 nm超稳激光光源上,因此,注入锁定后输出的窄线宽激光也继承了超稳激光光源的光谱特性.利用得到的输出功率为12 mW的689 nm窄线宽激光光源实现了88Sr原子光钟的二级冷却过程,最终获得温度为3 μK,原子数约为5×106的冷原子团.该方法可拓展至原子光钟其他光源的获得,从而实现原子光钟的集成化和小型化.

FP-1装置铝套筒内爆动力学过程的一维磁流体力学模拟
One-dimensional magneto-hydrodynamics simulation of magnetically driven solid liner implosions on FP-1 facility

张扬, 戴自换, 孙奇志, 章征伟, 孙海权, 王裴, 丁宁, 薛创, 王冠琼, 沈智军, 李肖, 王建国
物理学报. 2018, 67 (8): 080701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172300
全文: [PDF 885 KB] 下载:(116)
摘要

作为一种重要的柱面会聚冲击和准等熵压缩加载源,磁驱动固体套筒内爆技术已广泛应用于高能量密度物理实验研究.针对FP-1装置驱动的固体套筒内爆动力学过程,建立了含强度的一维磁流体力学模型,并对典型实验进行了模拟.计算获得的套筒内爆速度同实验结果较为相符.模拟结果显示,该装置在40 kV充压条件下,可以将直径3 cm,厚0.5 mm的铝套筒加速至1.1 km/s,内壁速度超过1.5 km/s,同时保持大部分材料为固体状态.内爆套筒与相同材料靶筒碰撞产生的冲击压力约9 GPa.改变靶筒内部填充气体的压力,可以获得不同的靶筒运动速度、轨迹以及反弹半径,以满足不同类型实验的研究需要.

原子和分子物理学

低速Xeq+(4≤q≤20)离子与Ni表面碰撞中的光辐射
Visible light emission from surface of nickel bombarded by slow Xeq+ (4 ≤ q ≤ 20) ion

徐秋梅, 杨治虎, 郭义盼, 刘会平, 陈燕红, 赵红赟
物理学报. 2018, 67 (8): 083201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172570
全文: [PDF 570 KB] 下载:(61)
摘要

实验中测量了0.38VBohr(460 keV)高电荷态Xeq+(4≤q≤20)离子轰击高纯Ni表面发射的400–510 nm光谱.实验结果包括Ni I原子谱线,Ni Ⅱ离子谱线,以及入射离子中性化发射的Xe I,Xe Ⅱ和Xe Ⅲ谱线.研究了谱线Xe Ⅱ 410.419,Xe Ⅲ 430.444,Xe Ⅱ 434.200,Xe Ⅱ 486.254,Ni I 498.245,Ni I 501.697,Ni I 503.502,Ni I 505.061和Ni I 508.293 nm的光子产额随着入射离子电荷态的变化.结果表明,入射离子中性化和溅射Ni原子发射谱线的光子产额随着入射离子电荷态的增加而增加,其趋势与入射离子势能一致.

厚原子蒸气介质中原子选择性光电离的理论研究
Numerical research of selectively photoionization in thick atom vapor medium

卢肖勇, 张小章, 张志忠
物理学报. 2018, 67 (8): 083202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172340
全文: [PDF 851 KB] 下载:(59)
摘要

激光在厚原子蒸气介质中传播时会产生脉冲形变和延迟现象,这会直接影响原子多步光电离过程中的电离率和选择性.从原子蒸气激光同位素分离的实际出发,对厚原子蒸气介质中的原子光电离过程进行了研究,利用密度矩阵方法描述原子的光电离过程,利用Maxwell方程描述激光在厚介质中的传播,建立了介质中同时存在两种同位素的激光传播电离方程组,考察了原子蒸气参数和激光参数对厚介质中平均电离率和平均选择性的影响.研究结果表明:对于较厚的原子蒸气介质,激光功率的增加使平均电离率升高,平均选择性下降;对于相对较薄的介质,适当地降低激光功率可以同时提高平均电离率和平均选择性.存在一个正的激光延时使原子蒸气中目标同位素的平均电离率达到最大.尽量延长激光脉冲的宽度不仅可以同时提高目标同位素的平均电离率和平均选择性,还可以降低对激光脉冲之间相对延时的控制精度.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

亚波长间距理想导体球阵列近区时间反演电磁场的快速求解
Fast solution of near-field time reversal electromagnetic field of sub-wavelength perfect conducting ball arrays

龚志双, 王秉中, 王任
物理学报. 2018, 67 (8): 084101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172508
全文: [PDF 885 KB] 下载:(72)
摘要

为快速求解亚波长间距分布的理想导体球阵列近区的时间反演电磁场,提出一种基于等效偶极子模型的解析分析方法.首先,通过分析球面波照射理想导体小球的散射场解析解发现,散射场可以近似等效为电磁偶极子辐射场的叠加.等效偶极子的强度与初始激励源的幅度成正比关系.通过建立不同小球等效偶极子矢量间的耦合方程组可以直接求解得到相应矢量的大小.然后,结合时间反演腔理论得到相应的时间反演并矢格林函数,继而得到小球阵列近区的时间反演场分布.最后,通过与数值仿真软件的计算结果进行对比,验证了方法的正确性及高效性.研究表明,时间反演技术结合近场亚波长间距小散射体加载能够实现超分辨率的场聚焦.

太赫兹自由电子激光的受激饱和实验
Experimental study on the stimulated saturation of terahertz free electron laser

黎明, 杨兴繁, 许州, 束小建, 鲁向阳, 黄文会, 王汉斌, 窦玉焕, 沈旭明, 单李军, 邓德荣, 徐勇, 柏伟, 冯第超, 吴岱, 肖德鑫, 王建新, 罗星, 周奎, 劳成龙, 闫陇刚, 林司芬, 张鹏, 张浩, 和天慧, 潘清, 李相坤, 李鹏, 刘宇, 杨林德, 刘婕, 张德敏, 李凯, 陈亚男
物理学报. 2018, 67 (8): 084102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172413
全文: [PDF 1533 KB] 下载:(157)
摘要

中国工程物理研究院基于半导体光阴极高压直流电子枪和超导直线加速器的高平均功率太赫兹自由电子激光达到了受激饱和,并实现了太赫兹光输出频率可调.在1.99,2.41和2.92 THz三个频率点上进行测试,测得太赫兹宏脉冲内平均功率大于10 W,最高达17.9 W.本文介绍了太赫兹自由电子激光装置的主要组成部分及受激饱和实验的结果.

基于7.6 μm量子级联激光的光声光谱探测N2O气体
Detection of nitrous oxide by resonant photoacoustic spectroscopy based on mid infrared quantum cascade laser

周彧, 曹渊, 朱公栋, 刘锟, 谈图, 王利军, 高晓明
物理学报. 2018, 67 (8): 084201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172696
全文: [PDF 550 KB] 下载:(161)
摘要

近年来,气候变化对地球的生态环境产生严重影响,而大气温室气体在气候变化中具有重要的作用.一氧化二氮(N2O)作为一种重要的温室气体,其浓度变化对大气环境产生重要影响,因此对其浓度的探测在大气环境研究中具有重要意义.本文开展了基于中国自主研发的7.6 μm中红外量子级联激光的共振型光声光谱探测N2O的研究,建立了N2O光声光谱传感实验系统.此系统在传统的光声光谱探测的基础上优化改进,采用双光束增强的方式,增加了有效光功率,进一步提高了系统的探测灵敏度.探测系统以1307.66 cm-1处的N2O吸收谱线作为探测对象,结合波长调制技术对N2O气体进行探测研究.通过对一定浓度的N2O气体在不同调制频率和调制振幅的光声信号的探测,确定了系统的最佳调制频率和调制振幅分别为800 Hz和90 mV.在最优实验条件下对不同浓度的N2O气体进行了测量,获得了系统的信号浓度定标曲线.实验表明,在锁相积分时间为30 ms时,系统的浓度探测极限为150×10-9.通过100次平均后,系统噪声进一步降低,实现了大气N2O的探测,浓度探测极限达到了37×10-9.

一种基于3D打印技术的结构型宽频吸波超材料
Structural broadband absorbing metamaterial based on three-dimensional printing technology

熊益军, 王岩, 王强, 王春齐, 黄小忠, 张芬, 周丁
物理学报. 2018, 67 (8): 084202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172262
全文: [PDF 916 KB] 下载:(197)
摘要

设计了一种三层宽频吸波超材料,其表层和中间层为单元尺寸不同的周期阵列结构,底层为吸波平板结构,优化后的总厚度仅为4.7 mm,并采用三维(3D)打印技术成功制备了该吸波超材料.吸波体反射率测试结果表明,在电磁波垂直入射条件下,宽频吸收峰分别出现在5.3和14.1 GHz,两峰叠加使得其在4–18 GHz频率范围内反射损耗均小于-10 dB.采用S参数反演法计算了每一层的等效电磁参数,并利用多层结构反射率公式推导得出该模型的理论反射率,理论计算结果与实测结果基本一致.通过研究能量损耗、电场分布和磁场分布揭示了吸波机理,分析表明该吸波体的宽频吸收效果源于三层结构产生的吸收带宽叠加.本文提出的吸波超材料具有良好的宽频吸收效果,尤其在低频范围吸波性能较佳,结合3D打印快速成型技术,可获得结构精细的三层吸波超材料,具有重要的实际应用价值和广阔的应用前景.

基质材料对Yb3+浓度调控的上转换荧光红绿比的影响
Effect of host matrix on Yb3+ concentration controlled red to green luminescence ratio

张翔宇, 王丹, 石焕文, 王晋国, 侯兆阳, 张力东, 高当丽
物理学报. 2018, 67 (8): 084203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171894
全文: [PDF 1137 KB] 下载:(75)
摘要

控制Yb3+掺杂浓度是一种重要的调控红绿荧光比率的方法.然而,关于不同基质中Yb3+浓度对红绿上转换荧光调控的敏感度仍缺少定量的对比研究,而且调控机理尚不清晰.本文通过乙二胺四乙酸辅助的水热法,合成了形貌可控的NaYF4微米棒、LiYF4微米八面体和YF3微米砖三种氟化物晶体.通过激光共聚焦显微镜系统对比研究了Yb3+/Er3+掺杂的三种不同基质和形貌的单颗粒氟化物微米晶体的上转换荧光行为和红绿比率对Yb3+变化的敏感度.研究结果表明:NaYF4:Er3+微米棒的红绿比率对Yb3+的掺杂浓度响应最为敏感,各种Yb3+浓度掺杂的LiYF4:Er3+微米八面体上转换荧光被绿光主控,而不同Yb3+掺杂的YF3:Er3+微米砖表现出了稳定的黄光发射.通过分析荧光发射谱和比较上下转换荧光动力学过程结合荧光强度-功率依赖关系,基于拥有不同声子能量的基质辅助的Er3+离子中间态的不同消布居途径,揭示了不同基质中红绿比率对Yb3+变化响应的物理机制,并提供了一种研究上转换机理的思路.

基于联合波叠加法的浅海信道下圆柱壳声辐射研究
Sound radiation of cylinder in shallow water investigated by combined wave superposition method

商德江, 钱治文, 何元安, 肖妍
物理学报. 2018, 67 (8): 084301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171963
全文: [PDF 1657 KB] 下载:(155)
摘要

针对浅海信道下弹性结构声辐射预报尚无高效可靠的研究方法,提出了一种浅海信道下弹性结构声辐射快速预报的联合波叠加法.该方法结合了浅海信道传输函数、多物理场耦合数值计算法和波叠加法理论,运用该方法可对浅海信道下弹性结构辐射声场进行快速预报.经数值法和解析解法验证后,从信道下辐射源、环境影响和辐射声场测量的角度研究分析了浅海信道下弹性圆柱壳的声辐射特性,阐释了进行浅海信道下结构声辐射研究的必要性.研究结果表明,仅在低频浅海信道下弹性结构可近似等效为点源,信道上下边界对声场产生显著的耦合影响,高频段的空间声场指向性分布尤为明显,垂直线列阵进行信道下结构辐射声功率测量时,测量结果受到信道环境边界和潜深的影响较大.

部分浸没圆柱壳声固耦合计算的半解析法研究
Semi-analytical research on acoustic-structure coupling calculation of partially submerged cylindrical shell

郭文杰, 李天匀, 朱翔, 屈凯旸
物理学报. 2018, 67 (8): 084302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172681
全文: [PDF 1064 KB] 下载:(126)
摘要

部分浸没圆柱壳-流场耦合系统的声振分析是一种典型的半空间域内声固耦合问题,其振动及声学计算目前主要依赖于数值方法求解,但无论从检验数值法还是从机理上揭示其声固耦合特性,解析或半解析方法的发展都是不可或缺的.本文提出了一种半解析方法,先将声场坐标系建立在自由液面上,采用正弦三角级数来满足自由液面上的声压释放边界条件;接着基于二维Flü;gge薄壳理论建立了以圆柱圆心为坐标原点的壳-液耦合系统的控制方程;然后再利用Galerkin法处理声固耦合界面的速度连续条件,推导得到声压幅值与壳体位移幅值之间的关系矩阵并求解该耦合系统的振动和水下声辐射.与有限元软件Comsol进行了耦合系统自由、受迫振动和水下辐射噪声计算结的对比分析,表明本文方法准确可靠.本文的研究为解析求解弹性结构与声场部分耦合的声振问题提供了新的思路.

纳米通道内气体剪切流动的分子动力学模拟
Molecular dynamics simulations of surface effects on Couette gas flows in nanochannels

张冉, 谢文佳, 常青, 李桦
物理学报. 2018, 67 (8): 084701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172706
全文: [PDF 1326 KB] 下载:(219)
摘要

采用分子动力学模拟方法研究了表面力场对纳米通道内气体剪切流动的影响规律.结果显示通道内的气体流动分为两个区域:受壁面力场影响的近壁区域和不受壁面力场影响的主流区域.近壁区域内,气体流动特性和气体动力学理论预测差别很大,密度和速度急剧增大并出现峰值,正应力变化剧烈且各向异性,剪切应力在距壁面一个分子直径处出现突变.主流区域的气体流动特性与气体动力学理论预测相符合,该区域内的密度、正应力与剪切应力均为恒定值,速度分布亦符合应力-应变的线性响应关系.不同通道高度及密度下,近壁区域的归一化密度、速度及应力分布一致,表明近壁区域的气体流动特性仅由壁面力场所决定.随着壁面对气体分子势能作用的增强,气体分子在近壁区域的密度和速度随之增大,直至形成吸附层,导致速度滑移消失.通过剪切应力与切向动量适应系数(TMAC)的关系,得到不同壁面势能作用下的TMAC值,结果表明壁面对气体分子的势能作用越强,气体分子越容易在壁面发生漫反射.

气体、等离子体和放电物理

等离子体中散斑光场的传输特性
Propagation characteristics of speckle field in plasma

杨春林
物理学报. 2018, 67 (8): 085201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171795
全文: [PDF 517 KB] 下载:(77)
摘要

为了深入了解激光驱动惯性约束核聚变系统中连续位相板所产生的散斑在抑制等离子体非线性效应时起到的作用,采用统计光学理论及矩阵光学方法,分析了散斑在等离子体中的传输特性,并通过数值模拟计算了散斑的自相关函数值.在此基础上,解释了散斑抑制等离子体非线性效应的机制,通过定量计算揭示了散斑光场的自相关长度在传输过程中的变化.结果表明,高密度等离子体中的散斑自相关长度更短,这有助于对等离子体中各类非线性效应的抑制.

大气压甲烷针-板放电等离子体中粒子密度和反应路径的数值模拟
Numerical simulation on particle density and reaction pathways in methane needle-plane discharge plasma at atmospheric pressure

赵曰峰, 王超, 王伟宗, 李莉, 孙昊, 邵涛, 潘杰
物理学报. 2018, 67 (8): 085202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172192
全文: [PDF 671 KB] 下载:(130)
摘要

甲烷针-板放电与重油加氢耦合形成甲烷转化重油加氢,可实现重油高效加氢并增产高附加值低碳烯烃,有实践应用前景和科学研究意义.建立二维流体模型,对大气压甲烷针-板放电等离子体进行数值模拟,得到电场强度、电子温度和粒子密度的空间与轴向分布,总结反应产额并提炼生成各种带电和中性粒子的关键路径.模拟结果表明,CH3+和CH4+密度与电场强度和电子温度的轴向演化接近且密切相关;CH5+和C2H5+密度沿轴向先增大后减小;CH3与H密度的空间和轴向分布几乎相同;CH2,C2H4与C2H5的粒子密度分布在靠近阴极的区域内明显不同而在正柱区内较为相像;电子与CH4发生电子碰撞电离生成的CH3+和CH4+,CH3+和CH4+分别与CH4发生分子碰撞解离生成C2H5+和CH5+;电子与CH4间的电子碰撞分解是生成CH3,CH2,CH和H的主导反应;CH2与CH4和电子与C2H4发生的反应分别是生成C2H4和C2H2的关键路径;电子与CH4间的电子碰撞分解反应和CH2与CH4发生的反应的产额各占H2总产额的52.15%和47.85%.

CsI光阴极在10–100 keV X射线能区的响应灵敏度计算
Calculation of CsI photocathode spectral response in 10-100 keV X-ray energy region

黎宇坤, 陈韬, 李晋, 杨志文, 胡昕, 邓克立, 曹柱荣
物理学报. 2018, 67 (8): 085203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180029
全文: [PDF 447 KB] 下载:(73)
摘要

为了满足10–100 keV高能X射线光电探测器研究的需要,对CsI光阴极在该能量范围的响应灵敏度进行了研究.基于高能量X射线光子与材料相互作用的物理过程,分析了康普顿散射等效应对CsI响应灵敏度的影响.推导了CsI的响应灵敏度与二次电子平均逃逸深度和光阴极厚度的关系式和二次电子平均逃逸深度与入射光子能量的关系式,计算了CsI在10–100 keV范围内的响应灵敏度,计算结果与实验测试数据相符,验证了分析与推导的可靠性.根据计算可以获得不同入射X射线能量下CsI光阴极的最佳厚度,从而为高能X射线光电探测器的设计优化提供了理论参考.

凝聚物质:结构、力学和热学性质

磁性硅烯超晶格中电场调制的谷极化和自旋极化 Hot!
Valley and spin polarization manipulated by electric field in magnetic silicene superlattice

侯海燕, 姚慧, 李志坚, 聂一行
物理学报. 2018, 67 (8): 086801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180080
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摘要

研究了基于硅烯的静电势超晶格、铁磁超晶格、反铁磁超晶格中谷极化、自旋极化以及赝自旋极化的输运性质,分析了铁磁交换场、反铁磁交换场以及化学势对输运性质的影响,讨论了电场对谷极化、自旋极化以及赝自旋极化的调控作用.结果表明:当3种超晶格的晶格数达到10以上时,在硅烯超晶格中很容易实现100%的谷极化、自旋极化和赝自旋极化,而且通过调节超晶格上的外加电场可以使极化方向发生翻转,从而在硅烯超晶格中实现外电场对谷自由度、自旋自由度以及赝自旋自由度的操控.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

铷原子气体自旋噪声谱的测量与改进 Hot!
Measurement and improvement of rubidium spin noise spectroscopy

尚雅轩, 马健, 史平, 钱轩, 李伟, 姬扬
物理学报. 2018, 67 (8): 087201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180098
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摘要

利用自主设计并制作的基于现场可编程门阵列的实时傅里叶变换采集卡(FFTsDAC),采用线偏振光检测碱金属铷原子气样品中的自旋随机涨落(即自旋噪声谱).详细讨论了背景噪声以及自旋噪声随探测光光强的变化关系,证实了自旋噪声来自于系统中自旋的随机涨落.对比了两种FFTsDAC(8 bit采样的FFTsDAC1和12 bit采样的FFTsDAC2)的测量性能,分析了影响实验信噪比的因素.FFTsDAC2具有更高的测量效率和采样深度以及更长的单次采样时间,因而具有更高的信噪比和更好的频率分辨率,与数值模拟的结果一致.

不同价态Mn掺杂InN电子结构、磁学和光学性质的第一性原理研究
First-principle study on electronic structures, magnetic, and optical properties of different valence Mn ions doped InN

徐大庆, 赵子涵, 李培咸, 王超, 张岩, 刘树林, 童军
物理学报. 2018, 67 (8): 087501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172504
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摘要

采用密度泛函理论体系下的广义梯度近似GGA+U平面波超软赝势方法,在构建了纤锌矿结构的InN超胞及三种不同有序占位Mn2+,Mn3+价态分别掺杂InN超胞模型,并进行几何优化的基础上,计算了掺杂前后体系的电子结构、能量以及光学性质.计算结果表明:Mn掺杂后体系总能量和形成能降低,稳定性增加,并在费米能级附近引入自旋极化杂质带,体系具有明显的自旋极化现象.掺杂不同价态的Mn元素对体系电子结构和磁学性质产生了不同的影响.电子结构和磁性分析表明掺杂体系的磁性来源于p-d交换机制和双交换机制的共同作用,Mn3+价态掺杂有利于掺杂体系的居里温度达到室温以上.与未掺杂InN相比,不同价态Mn元素掺杂后体系的静态介电函数显著增大,掺杂体系介电函数虚部和吸收光谱在低能区域出现了较强的新峰,分析认为这些新峰主要来自与费米能级附近自旋极化杂质带相关的跃迁.

磁控溅射铂抑制镀银表面的二次电子发射
Suppressing secondary electron emission from silver-plated surface by magnetron sputtered platinum

何鋆, 俞斌, 王琪, 白春江, 杨晶, 胡天存, 谢贵柏, 崔万照
物理学报. 2018, 67 (8): 087901      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172740
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摘要

降低表面的二次电子产额是抑制微波部件二次电子倍增效应和提升功率阈值的有效途径之一,目前主要采用在表面构造陷阱结构和沉积非金属薄膜的方法降低二次电子产额,其缺点是会改变部件的电性能.针对此问题,采用在表面沉积高功函数且化学惰性的金属薄膜来降低二次电子产额.首先,采用磁控溅射方法在铝合金镀银样片表面沉积100 nm铂,测量结果显示沉积铂后样片的二次电子产额最大值由2.40降至1.77,降幅达26%.其次,用相关唯象模型对二次电子发射特性测量数据进行了拟合,获得了在40–1500 eV能量范围内能够准确描述样片二次电子产额特性的Vaughan模型参数,以及在0–50 eV能量范围内能够很好地拟合二次电子能谱曲线的Chung-Everhart模型参数.最后,将获得的实验数据和相关拟合参数用于Ku频段阻抗变换器的二次电子倍增效应功率阈值仿真研究,结果表明通过沉积铂可将部件的功率阈值由7500 W提升至36000 W,证实了所提方法的有效性.研究结果为金属材料二次电子发射特性的研究提供实验数据参考,对抑制大功率微波部件二次电子倍增效应具有参考价值.

金纳米结构表面二次电子发射特性
Secondary electron emission characteristics of gold nanostructures

王丹, 贺永宁, 叶鸣, 崔万照
物理学报. 2018, 67 (8): 087902      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180079
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摘要

使用低气压蒸发工艺制备了金纳米结构,研究了金纳米结构的二次电子发射特性及其对表面形貌的依赖规律,表征了金纳米结构表面出射二次电子能量分布.实验结果表明:蒸发气压升高时,金纳米结构孔隙率增大,表面电子出射产额降低;能量分布表明金纳米结构仅对低能真二次电子有明显抑制作用,对背散射电子的作用效果则依赖于表面形貌.使用由半球和沟槽构成的复合结构,并结合二次电子发射唯象概率模型,对金纳米结构进行模型等效及电子发射特性仿真,模拟结果表明:纳米结构中的半球状纳米颗粒对两种电子产额均有增强作用;沟槽对真二次电子产额有强抑制作用,而对背散射电子产额仅有微弱抑制作用.本工作深入研究了金纳米结构表面电子发射机理,对于开发空间微波系统中纳米级低电子产额表面有重要参考价值.

物理学交叉学科及有关科学技术领域

单分子动力学研究大肠杆菌单链结合蛋白与单链DNA的结合过程
Binding process between E.coli SSB and ssDNA by single-molecule dynamics

陆越, 马建兵, 滕翠娟, 陆颖, 李明, 徐春华
物理学报. 2018, 67 (8): 088201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180109
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摘要

大肠杆菌单链结合蛋白(E.coli SSB)具有与单链DNA(single-stranded DNA,ssDNA)结合的性质,起着保护ssDNA及引导相关蛋白质反应的重要作用,然而,它与ssDNA的结合过程及其细节尚未得到确定的研究结果.本文采用单分子磁镊对E.coli SSB/ssDNA复合体进行拉力测试,并采用单分子化学反应动力学方法对测试结果进行分析.研究发现:E.coli SSB在ssDNA上的结合过程分为两个不同的阶段,一个是在临界力下快速的结合缠绕阶段,一个是随着力的进一步减小逐步缠绕的阶段.从中得到了E.coli SSB与ssDNA的化学反应系数,并得到了相应的自由能参数.采用自由能校准的方法,得到了SSB与ssDNA结合的完整自由能曲线,从而揭示了E.coli SSB与ssDNA的结合特征.本文的分析方法也可以应用于相似的化学反应的研究中.

Sm3+,Sr2+共掺杂对CeO2基电解质性能影响的密度泛函理论+U计算
DFT+U calculation of Sm3+ and Sr2+ co-doping effect on performance of CeO2-based electrolyte

陈美娜, 张蕾, 高慧颖, 宣言, 任俊峰, 林子敬
物理学报. 2018, 67 (8): 088202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172748
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摘要

Sm3+,Sr2+共掺杂CeO2的离子电导率被证实可高达Sm3+掺杂CeO2离子电导率的近两倍,然而,共掺杂对CeO2电导率的作用机理尚不明确.本文利用第一性原理计算的密度泛函理论+U方法,对Sm3+和Sr2+共掺杂的CeO2进行了系统的研究,对比Sm3+或Sr2+单掺杂的CeO2体系,计算并分析了共掺杂体系的电子态密度、能带结构、氧空位形成能以及氧空位迁移能等微观属性.计算结果表明,Sm3+,Sr2+的共掺杂对CeO2基电解质性能的提高具有协同效应,二者的共掺杂不仅能协同抑制CeO2体系的电子电导率,还能在单掺杂CeO2的基础上进一步降低氧空位形成能,Sm3+的存在还有助于降低Sr2+对氧空位的俘获作用,而Sr2+的加入则能够在Sm3+掺杂CeO2的基础上进一步降低最低氧空位迁移能,爬坡式弹性能带方法计算表明共掺杂体系的氧空位迁移能最低可达0.314/0.295 eV,低于Sm3+掺杂CeO2的最低氧空位迁移能.研究揭示了Sm3+,Sr2+共掺杂对CeO2电导率的协同作用机理,对进一步研发其他高性能的共掺杂电解质材料具有重要的指导意义.

考虑谐波互作用的行波管欧拉非线性理论模型
Nonlinear theory considering harmonic interaction using Eulerian hydrodynamic analysis

邱海舰, 胡玉禄, 胡权, 朱小芳, 李斌
物理学报. 2018, 67 (8): 088401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180024
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摘要

基于拉格朗日体系的考虑谐波互作用的理论模型,将离散的粒子近似处理为流体,得到电子相位的连续分布函数.对电子相位连续分布函数进行傅里叶一阶展开,并结合贝塞尔母函数关系式,建立了考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型.应用考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型对一支L波段空间行波管和一支C波段空间行波管进行大信号分析,并与拉格朗日理论模型进行对比.结果表明:在增益1 dB压缩点之前,考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型与拉格朗日理论模型十分符合,增益最大误差不超过4%.考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型能够有效的对增益1 dB压缩点之前的谐波进行分析.仿真结果验证了考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型的正确性和有效性.考虑谐波互作用的欧拉非线性理论不但提供了一个谐波快速计算模型,而且为后续研究行波管谐波的产生机理与抑制方法奠定了基础.

天光背景下混浊大气中成像质量的分析方法
Image quality analysis method under background radiation in turbid atmosphere

郑鑫, 武鹏飞, 饶瑞中
物理学报. 2018, 67 (8): 088701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172625
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摘要

调制传递函数(MTF)定量描述混浊介质对图像质量的影响,它是混浊介质的固有光学特性,利用等效原理可以获得MTF从低频到高频的完整特征.在实际应用中,混浊介质中的图像质量不仅取决于介质的MTF,还与图像的背景辐射密切相关.本文从混浊大气中图像退化机理出发,理论分析了空间频域中天光背景下图像质量的退化过程.参考等效原理,提出了一种考虑天光背景的表观MTF,得到了表观MTF与介质MTF和天光背景的定量关系,从而得到了一种分析背景辐射下混浊介质中图像质量的有效便捷方法.针对图像质量优化方法,从空间频域的角度提出了一种评价原则.

相依网络上基于相连边的择优恢复算法
Enhancing resilience of interdependent networks against cascading failures under preferential recovery strategies

吴佳键, 龚凯, 王聪, 王磊
物理学报. 2018, 67 (8): 088901      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172526
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摘要

如何有效地应对和控制故障在相依网络上的级联扩散避免系统发生结构性破碎,对于相依网络抗毁性研究具有十分重要的理论价值和现实意义.最新的研究提出一种基于相依网络的恢复模型,该模型的基本思想是通过定义共同边界节点,在每轮恢复阶段找出符合条件的共同边界节点并以一定比例实施恢复.当前的做法是按照随机概率进行选择.这种方法虽然简单直观,却没有考虑现实世界中资源成本的有限性和择优恢复的必然性.为此,针对相依网络的恢复模型,本文利用共同边界节点在极大连通网络内外的连接边数计算边界节点的重要性,提出一种基于相连边的择优恢复算法(preferential recovery based on connectivity link,PRCL)算法.利用渗流理论的随机故障模型,通过ER随机网络和无标度网络构建的不同结构相依网络上的级联仿真结果表明,相比随机方法和度数优先以及局域影响力优先的恢复算法,PRCL算法具备恢复能力强、起效时间早且迭代步数少的优势,能够更有效、更及时地遏制故障在网络间的级联扩散,极大地提高了相依网络遭受随机故障时的恢复能力.

地球物理学、天文学和天体物理学

有界大洋对纬向风强迫的响应及共振
Response and resonance of bounded ocean under zonal wind forcing

张东凌, 卢姁, 张铭
物理学报. 2018, 67 (8): 089201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172225
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摘要

为揭示北太平洋主、次要气候模态即太平洋年代际振荡(PDO)和北太平洋流涡振荡(NPGO)的形成机理及其振荡周期与大洋水平尺度之间的联系,采用中纬β通道中的约化重力准平衡线性大洋模型,解析求解了纬向风强迫下的大洋流场响应,讨论了其中的共振问题.1)有界大洋的响应形态分别类似于冬季PDO和NPGO的流场模.2)响应形态分别表现为在大洋西海岸以东,前者有一个椭圆状流涡,后者有南北两个旋转方向相反的流涡并构成流涡偶;在整个大洋,前者有一个洋盆尺度环流,后者在大洋南北分别有两个旋转方向相反的洋盆尺度环流;在中纬度西风急流异常位置偏北和偏南,则能分别强迫出以上的两种情况.3)大洋流场对纬向风场强迫的响应频率(周期)与纬向风强迫频率(周期)相同,但大洋响应要滞后于纬向风的强迫;而响应流场即流函数的强度则与纬向风强迫的大小成正比.当纬向风强迫频率(周期)与该大洋固有频率(周期)相同时,二者会有共振发生,此时大洋响应最为强烈;而二者频率(周期)相差较远时,响应则不大.摩擦越小共振就越强,共振的个数也越多.有界大洋东西向的长度对其固有频率(周期)即共振频率(周期)有明显影响,并起着决定作用;当该长度减小时,相邻两个共振周期的间隔会增大.海洋大气间的两两非线性相互作用,使得随机风场的振荡包含了从极低频到高频的各种成分;通过该共振,可从中挑选出与大洋固有频率相同或相近的共振频率,在该频率上流场对风场的响应最为强烈,从而也就锁定了PDO和NPGO的周期.最终结论为:非线性相互作用、风场对流场的强迫、共振是造成PDO和NPGO的三个关键因子;该解析解的性质为时变的共振Rossby波.


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