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Vol. 61, No. 7 (2012)

2012年04月05日
总论 核物理学 原子和分子物理学 电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 气体、等离子体和放电物理 前沿领域综述
前沿领域综述
凝聚物质:结构、力学和热学性质 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质 物理学交叉学科及有关科学技术领域
总论
六组点堆中子动力学方程组的同伦分析解
朱倩, 商学利, 陈文振
2012, 61 (7): 070201. doi: 10.7498/aps.61.070201
摘要 +
鉴于目前六组点堆中子动力学方程仍然无法获得解析解, 本文尝试将同伦分析方法应用于六组缓发中子动力方程组的求解, 获得了它的级数解析解, 并对级数解析解算法的有效性进行了检验. 结果表明, 该级数解析解算法从计算时间和精度上都能达到工程应用的要求, 可适宜于反应堆中子动力学控制的设计分析和仿真计算.
卫星平台复杂振动引起的光谱成像退化仿真研究
唐秋艳, 唐义, 曹玮亮, 王静, 南一冰, 倪国强
2012, 61 (7): 070202. doi: 10.7498/aps.61.070202
摘要 +
卫星平台不稳定性将严重影响光谱成像质量, 针对干涉型和色散型成像光谱仪受平台振动而产生的成像质量退化影响进行机理研究和仿真, 建立了两类成像光谱的退化模型. 提出的光谱微分动态成像退化仿真方法, 考虑了复杂振动的综合影响. 通过提出平均掺杂比的概念, 建立起卫星平台运动参数与光谱成像影响之间的桥梁, 详细推导了这两者间的定量关系. 并以典型光谱和模拟地物光谱为例进行了退化仿真, 退化结果表明平台振动中俯仰和侧滚的影响比偏航大, 而且不仅会影响空间分辨率, 还会带来光谱失真, 而影响较大的是地物种类较丰富的区域.
三类大气基本波动的广义变分原理
宋君强, 曹小群, 朱小谦, 张卫民, 赵军
2012, 61 (7): 070401. doi: 10.7498/aps.61.070401
摘要 +
半反推法是He为了寻求数学物理问题的变分原理而提出的, 可避免由拉氏乘子法引起的临界变分现象. 应用半反推法分别获得了动力气象中Rossby波、大气声波和重力外波等三类基本大气波动的广义变分原理, 并验证了它们的正确性.
基于粒子滤波的一种改进的资料同化方法
冷洪泽, 宋君强, 曹小群, 杨锦辉
2012, 61 (7): 070501. doi: 10.7498/aps.61.070501
摘要 +
针对在粒子数较少时传统的集合卡尔曼滤波和粒子滤波方法不能有效表征后验概率密度函数(PDF)的问题, 提出了一种改进的粒子滤波方法. 主要思想是在预测步之后引入更新步, 并且将观测时刻与非观测时刻的同化分析进行区别处理. 对典型的低维和高维混沌系统的仿真结果表明:改进粒子滤波方法是一种非常有效的估计非线性非高斯随机系统状态的方法.
切换电路系统的振荡行为及其非光滑分岔机理
吴天一, , 张正娣, 毕勤胜
2012, 61 (7): 070502. doi: 10.7498/aps.61.070502
摘要 +
探讨了周期时间开关及控制阈值下在两个Rayleigh型子系统之间切换的电路系统随参数变化的复杂动力学演化过程, 通过对子系统平衡点的分析, 给出了参数空间中Fold分岔和Hopf分岔的条件, 考察了切换面处广义Jacobian矩阵特征值随辅助参数变化的分布情况, 得到了切换面处系统可能存在的各种分岔行为, 进而讨论了系统不同行为的产生机理, 指出系统的相轨迹存在分别由周期开关和控制阈值决定的两类不同的分界点, 而系统轨迹与非光滑分界面的多次碰撞将导致系统由周期倍化分岔导致混沌振荡.
小位移条件下混沌隔振装置的设计与研究
蒋国平, 陶为俊, 浣石, 肖波齐
2012, 61 (7): 070503. doi: 10.7498/aps.61.070503
摘要 +
本文根据混沌隔振原理, 设计出小位移下的混沌隔振装置, 该装置能够在小位移下产生强非线性, 并且其线性部分与非线性部分完全区分开, 实验中易于调节其整体刚度, 以及线性和非线性项比例, 大大增加了该装置在工程中的应用前景. 并利用数值计算方法对特定参数下的隔振装置在简谐激励力作用下的运动进行分析, 证实了该混沌隔振装置的可行性.

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白噪声诱发Morris-Lecar模型构成的Ⅱ型兴奋网络产生多次空间相干共振
李玉叶, 贾冰, 古华光
2012, 61 (7): 070504. doi: 10.7498/aps.61.070504
摘要 +
为研究噪声在网络中的作用及对时空行为的影响, 通过电耦合、近邻连接的Morris-Lecar模型构建了同质可兴奋细胞网络. 单元振子的确定性行为表现为Ⅱ型兴奋性的静息. 在高斯白噪声的作用下, 网络会在较大的噪声强度范围产生螺旋波, 以及在某些较小的噪声强度范围产生杂乱的空间结构. 随着噪声强度的增加, 螺旋波的结构会在简单和复杂之间转换, 或与杂乱的空间结构交替出现. 通过空间结构函数及其信噪比的计算, 发现简单螺旋波的信噪比较大, 复杂螺旋波以及杂乱的时空结构的信噪比较小. 信噪比随着噪声强度的增加会出现多次极大值, 说明白噪声可以在可兴奋细胞网络中诱导多次空间相干共振. 研究结果提示现实的可兴奋系统能有多次机会选择不同强度的噪声加以合理利用.
不同耦合下混沌神经元网络的同步
吴望生, 唐国宁
2012, 61 (7): 070505. doi: 10.7498/aps.61.070505
摘要 +
采用Hindmarsh-Rose神经元动力学模型, 对二维点阵上的神经元网络的同步进行了研究. 为了解不同耦合对网络同步的影响, 提出了一般反馈耦合、分层反馈耦合和分层局域平均场反馈耦合三种方案.研究表明:在耦合强度较小的近邻耦合下, 一般反馈耦合不能使网络达到完全同步, 而分层反馈耦合和分层局域平均场反馈耦合可以使网络出现局部同步和全局同步. 不同形式的耦合会导致网络出现不同的斑图, 随着耦合强度的增大, 网络从不同步到同步的过程也不相同, 一般反馈耦合和分层反馈耦合网络是突然出现全局同步, 同步之前网络出现非周期性的相干斑图; 对于分层局域平均场反馈耦合网络, 同层神经元之间先出现从簇放电同步到同步的转变, 形成靶波, 然后同步区由中心向外逐渐扩大, 最终达到网络的全局同步. 这些结果表明, 只有适当的耦合才能实现信号的无损耗的传递. 此外我们发现分层局域平均场反馈耦合可以促进网络的同步.
随机稀释基底上刻蚀模型动力学标度行为的数值模拟研究
谢裕颖, 唐刚, 寻之朋, 韩奎, 夏辉, 郝大鹏, 张永伟, 李炎
2012, 61 (7): 070506. doi: 10.7498/aps.61.070506
摘要 +
表面界面动力学粗化过程是凝聚态物理领域重要的研究内容,为研究基底不完整性对刻蚀模型动力学标度行为的影响,本文采用Kinetic Monte Carlo(KMC)方法,分析研究了在随机稀释基底上刻蚀模型(Etching model)生长表面的动力学标度行为.研究发现:尽管随机稀释基底的不完整性会对刻蚀表面的动力学行为产生显著的影响,导致刻蚀表面粗糙度指数和生长指数有明显的增加, 但其仍基本满足原有的动力学标度规律.此外,本文还对刻蚀表面动力学标度指数的有限尺寸效应进行了分析讨论.
一种具有正弦基函数权值的反馈型神经网络模型
李承, , 石丹, 邹云屏
2012, 61 (7): 070701. doi: 10.7498/aps.61.070701
摘要 +
提出了一种新的两层反馈型神经网络模型. 该网络采用正弦基函数作为权值, 神经元激活函数为线性函数, 连接形式为两层反馈型结构. 研究并定义了该反馈型神经网络的能量函数, 分析了网络运行的稳定性问题, 并证明了在Liapunov意义下网络运行的稳定性. 网络运行过程中, 其权值不做调整(但随时间按正弦规律变化), 网络状态不断地转换. 随着网络状态变化其能量不断减小, 最终在达到稳定时能量到达极小点. 由于该反馈型神经网络权值为正弦函数, 特别适合于周期信号的自适应逼近和检测, 为实际中周期性信号检测与处理提供了一种新的、有效的网络模型和方法. 作为应用实例把该网络应用于电力系统中电压凹陷特征量实时检测, 仿真结果表明, 网络用于信号检测不仅有很高的静态精度, 而且有非常好的动态响应特性.
高压下Li掺杂p型ZnO固溶体的表征
秦杰明, , 田立飞, 蒋大勇, 高尚, 赵建勋, 梁建成
2012, 61 (7): 070702. doi: 10.7498/aps.61.070702
摘要 +
报道了利用ZnO和Li2O混合物在5GPa, 1200 ℃1500 ℃条件下, 制备Li掺杂p型ZnO(记作ZnO: Li)固溶体的过程. 研究发现, 高压下温度对于ZnO: Li固溶体的导电类型以及结构具有较大的影响. 其中在1500 ℃条件下烧结的ZnO: Li(Li的掺杂量4.5%)表现出良好的p型电学性能, 其电阻率为3.1 10-1cm, 载流子浓度为3.3 1019cm-3, 迁移率为27.7cm2V-1s-1. 通过实验及理论计算确定了其受主能级为110meV, 讨论了压力对p型ZnO的形成和电学性能的影响.
W波段损耗介质加载回旋返波振荡器中模式竞争的研究
杜朝海, 李铮迪, , 薛志浩, 刘濮鲲, 薛谦忠, 张世昌, 徐寿喜, 耿志辉, 顾伟, 粟亦农, 刘高峰
2012, 61 (7): 070703. doi: 10.7498/aps.61.070703
摘要 +
本文采用自洽非线性理论模型系统研究W波段基波TE01模回旋返波振荡器模式竞争的物理机理. 通过采用特殊渐变的非谐振互作用结构和加载损耗介质抑制互作用系统中竞争模式, 从而防止系统出现非稳态振荡现象. 通过系统优化的互作用结构可以抑制竞争模式, 能够稳定工作在TE01模的轴向基模上. 计算表明系统输出峰值功率105 kW, -3 dB调谐相对带宽为5.4%. 这为发展应用于电子对抗、无损探测、等离子体诊断、材料处理等领域的宽带毫米回旋返波振荡器提供了理论基础, 具有借鉴意义.
窄带傅里叶变换光谱仪中平稳高斯噪声的理论分析
吕金光, , 梁静秋, 梁中翥
2012, 61 (7): 070704. doi: 10.7498/aps.61.070704
摘要 +
在本文所研究的空间调制型傅里叶变换光谱仪中, 在窄的光谱带宽内进行探测可以有效提高光谱的分辨率. 为了研究光源辐射噪声对系统的影响, 本文将辐射噪声归纳为一种高斯窄带的平稳随机过程, 利用线性系统分析方法, 根据统计学原理推导了辐射噪声作为随机变量通过干涉系统前后的输入信噪比与输出信噪比. 然后, 对于一个具有窄带矩形光谱的系统进行了计算仿真, 得出了信噪比增益随着光程差在不同自相关度和互相关度取值时的变化情况. 仿真结果表明, 不同光程差下的信噪比增益在相关度空间是一单调的平滑曲面, 增益极值始终沿着相关度圆的半径和周线移动, 并且经过一个光程差又回到初始的位置. 根据对信噪比增益的分析, 可以将噪声的相关度取值控制在某一范围之内, 并作为系统光源设计与测试的依据.
核物理学

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WLW 原子核质量模型在r过程研究中的应用
李竹, 牛中明, 孙保华, 王宁, 孟杰,
2012, 61 (7): 072601. doi: 10.7498/aps.61.072601
摘要 +
本工作利用最近提出的WLW宏观-微观原子核质量模型, 在经典r过程框架下很好地描述了太阳系r过程核素丰度分布. 与常用的FRDM质量模型相比, 新计算更好地再现了A135和A180质量区的太阳系r过程核素丰度, 尤其避免了其他相似计算中A=135 附近出现的与观测不符的丰度峰问题. 分析表明, 这种差异可能暗示WLW更为合理地处理了壳结构和对称能.
碳纳米管阴极强流脉冲发射放气特性研究
谌怡, 张篁, 杨安民, 夏连胜, 刘星光
2012, 61 (7): 072901. doi: 10.7498/aps.61.072901
摘要 +
为了研究碳纳米管(CNT)阴极强流脉冲发射特性, 在2MeV直线感应加速器(LIA)注入器平台上开展了阴极放气特性实验. 研究结果表明:碳纳米管阴极强流发射时伴随有严重的阴极放气, 阴极放气参与形成阴极等离子体. 对于特定的几次实验, 通过数值积分估算了阴极材料的放气量为0.81.12PaL, 释放的气体分子数目与电子数目之比为254203, 说明阴极等离子体为弱电离等离子体. 分析了二极管电压、发射电流密度、放气量以及放气分子数目/电子数目之间的关系
反冲质子磁分析技术用于氘氚中子能谱测量研究
周林, 蒋世伦, 祁建敏, 王立宗
2012, 61 (7): 072902. doi: 10.7498/aps.61.072902
摘要 +
介绍了一种基于反冲质子法和磁分析技术的氘氚聚变诊断方法, 适用于稳态及脉冲条件下的等离子体温度、燃料密度和中子产额的精确诊断. 设计了小型的原理性装置, 磁分析器使用高性能钕铁硼二极永磁铁, 焦平面上使用CR-39固体径迹探测器或PIN探测器测量质子位置分布. 使用239Pu 源对磁分析器进行了实验标定, 建立了配套的模拟程序. 利用蒙特卡罗方法模拟分析了装置整体性能, 并在K-400加速器上进行了中子实验研究.
死区对四象限跟踪传感器跟踪精度的影响
马晓燠, , 母杰, 饶长辉
2012, 61 (7): 072903. doi: 10.7498/aps.61.072903
摘要 +
介绍了四象限跟踪传感器原理后, 分析了存在噪声和死区条件下的四象限探测器的光斑能量探测率、质心探测误差和光斑位移敏感度, 推导了此时四象限跟踪传感器跟踪误差的理论公式, 并通过实验证明了理论分析的正确性. 理论分析和实验的结果都表明, 在相同的噪声情况下, 质心探测误差和位移敏感度都随着光斑的高斯宽度与死区宽度之比减小而增大, 但是位移敏感度增大的趋势要小于质心探测误差增大的趋势, 它们共同作用的结果就导致了光斑的高斯宽度与死区宽度之比越大, 四象限跟踪探测器的跟踪误差越小.
利用ICCD定位宇宙线来测量探测器时间分辨的方法研究
吕绮雯, 郑阳恒, 田彩星, 刘福虎, 蔡啸, 方建, 高龙, 葛永帅, 刘颖彪, 孙丽君, 孙希磊, 牛顺利, 王志刚, 谢宇广, 薛镇, 俞伯祥, 章爱武, 胡涛, 吕军光
2012, 61 (7): 072904. doi: 10.7498/aps.61.072904
摘要 +
本研究采用双层150 mm150 mm闪烁条阵列定位宇宙线的入射和出射位置. 阵列信号光使用波移光纤吸收传输,在ICCD相机前插入前置像增强器,使信号光延迟大于200 ns, 使ICCD可以由外部高速触发信号控制,有效记录随机触发事例.该宇宙线定位系统可以同时多点密集测量 通用探测器测试平台的时间分辨和闪烁光的渡越时间.该新方法与传统时间分辨测量方法相比提高了30倍以上 的效率.实验结果显示:时间探测器的时间分辨好于200 ps,满足通用探测器测试平台的设计要求.
原子和分子物理学
钇覆盖Si@Al12团簇的贮氢性能
黄海深, , 王小满, 赵冬秋, 伍良福, 黄晓伟, 李蕴才
2012, 61 (7): 073101. doi: 10.7498/aps.61.073101
摘要 +
利用密度泛函理论系统地研究了YmSi@Al12 (m=13)团簇及其贮氢性质. 结果表明, 在所研究的尺度范围内, 钇原子未在Si@Al12团簇上团聚; 每个钇原子按18电子规则吸附氢分子, 其中Y3Si@Al12团簇可以吸附16个完整氢分子, 贮氢质量分数为5.0 %, 平均吸附能处于0.3240.527 eV之间, 较为理想的吸附能说明在室温条件下吸氢和脱氢是可行的.
分子动力学中应变分析的统计矩方法及应用
卢果, 王帅创, 张广财, 许爱国
2012, 61 (7): 073102. doi: 10.7498/aps.61.073102
摘要 +
分子动力学模拟研究金属的力学性质, 需要采用合适的应变分析方法研究金属的变形特征及其演化规律. 金属材料复杂变形的局部应变特征缺乏简便有效的分析手段, 整体变形也没有合适的描述方法. 本文提出分子动力学中应变分析的统计矩方法, 通过统计矩建立了微观量和宏观应变的关联. 在单晶单轴加载、纳米多晶剪切和冲击加载下的应用表明, 矩应变分析方法可以很好的描述和评估材料的局部变形和整体变形特征, 并通过应变不均匀度鉴别材料的局部塑性变形和弹性变形, 是深入研究复杂结构材料变形机理的一种有效的通用分析方法.
硅纳米团簇与石墨烯复合结构储锂性能的第一性原理研究
吴江滨, 钱耀, 郭小杰, 崔先慧, 缪灵, 江建军
2012, 61 (7): 073601. doi: 10.7498/aps.61.073601
摘要 +
本文采用第一性原理计算方法, 研究了不同晶向硅纳米团簇与石墨烯复合结构稳定性及其储锂性能. 计算了不同高度、大小硅团簇与石墨烯复合结构的结合能, 复合结构中嵌锂吸附能和PDOS. 分析表明, 硅团簇和石墨烯之间形成较强的SiC键, 其中[111]晶向硅团簇与石墨烯作用的形成能最高, 结构最为稳定. 进一步计算其嵌锂吸附能, 发现硅团簇中靠近石墨烯界面处的储锂位置更加有利于锂的吸附, 由于锂和碳、硅之间有较强电荷转移, 其吸附能明显大于其他储锂位置. 同时在锂嵌入过程中, 由于石墨烯的引入, 明显减小了界面处硅的形变, 有望提高其作为锂电池负极材料的可逆容量.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
一种基于分形结构的复合左右手传输线及其在小型化功分器中应用
许河秀, 王光明, 梁建刚, 彭清
2012, 61 (7): 074101. doi: 10.7498/aps.61.074101
摘要 +
首先提出了一种基于互补开口单环谐振器对(CSSRRP)的新型谐振式复合左右手传输线(CRLH TL)和其等效电路模型. 采用Bloch理论对等效电路进行了深入研究, 推导了CRLH TL工作于平衡态的计算公式. 通过等效电磁参数提取, 证明了该结构的负折射率与后向波传输特性. 其次在CSSRRP中引入Koch分形结构, 设计了工作于WiMAX波段的电小平衡零相移传输线. 最后基于设计的零相移传输线制作了一分四串联功分器. 对其进行测试, 测试结果与仿真结果完全符合, 从而验证了设计方法的正确性. 与传统统蜿蜒线状一分四功分器相比, 本文提出的功分器带宽有效展宽56%且尺寸缩减了42%. 基于分形CSSRRP的左手传输线必将在小型化无线通信系统中得到广泛应用.
时间反演脉冲电磁波在双负材料中传播特性研究
赵德双, 岳文君, 余敏, 张升学
2012, 61 (7): 074102. doi: 10.7498/aps.61.074102
摘要 +
利用全时域电磁仿真技术, 对比研究了时间反演脉冲电磁波和脉冲电磁波透过Smith结构双负材料后的时域波形、脉宽压缩以及材料内部空间电场峰值强度分布等时域传播特性. 结果表明:时间反演脉冲电磁波在透过双负材料后, 在初始源激励处表现出良好的时间和空间聚焦特性. 更重要的是, 在双负材料内部, 观测到了电场峰值强度减弱、截面电场峰值强度趋向均衡分布等新型的物理现象. 这些物理现象对发展能够承受大功率新型的双负材料电子器件及其应用系统很有参考研究价值.
节能灯用BaMgAl10O17:Eu2+,Mn2+荧光粉的劣化机理研究
周美娇, 张加驰, 王育华
2012, 61 (7): 074103. doi: 10.7498/aps.61.074103
摘要 +
对节能灯用BaMgAl10O17: Eu2+,Mn2+荧光粉的热劣化和紫外辐照劣化机理进行了对比研究. 发现热处理和紫外辐照处理均对BaMgAl10O17: Eu2+,Mn2+产生明显的发光劣化作用. 研究结果表明:热劣化主要涉及到Eu2+ 的氧化及其格位偏移, 而紫外辐照劣化与上述过程无关. 紫外辐照劣化主要源自高能紫外辐照使Eu2+ 处于更加不稳定的状态, 从而降低Eu2+ 的直接吸收和发射强度.
1THz回旋管双阳极磁控注入电子枪的分析及设计
陈旭霖, 赵青, 刘建卫, 郑灵
2012, 61 (7): 074104. doi: 10.7498/aps.61.074104
摘要 +
基于电子光学理论,通过编程进行大量的数值计算,设计了一支用于1THz回旋管的双阳极磁控注入式电子枪.对双阳极磁控注入电子枪的计算及设计进行了阐述,并对1 THz回旋管电子枪中高磁压缩比(fm=125)可能导致电子反转的问题进行了详细的分析和模拟.通过对电子枪进行了仿真和优化,最后计算和设计了一支速度比适中(=1.3),速度零散较小(8%) 的电子枪.
分别在运动和静止镜面上反射的电磁波包干涉现象的基础理论分析
杨林平, 苏肇冰, 励名强
2012, 61 (7): 074105. doi: 10.7498/aps.61.074105
摘要 +
本文讨论了分别在运动和静止镜面上反射的相干电磁波包的干涉现象,运动镜面反射所导致的多普 勒效应会出现在这种干涉现象之中.本文按照经典电动力学边值问题,特别是运动界面边值问题的观念和方法,为 这种干涉现象提供了一个理论描述,分析和讨论了这种干涉现象的特点,并给出了一个确定运动镜面 速度的解析表达式.文章最后指出,还有许多与本文内容紧密相联的重要而有趣的问题有待进一步研究和讨论.
弱散射体产生的菲涅耳极深区散斑场相位涡旋演化的实验研究
陈小艺, , 刘曼, 李海霞, 张美娜, 宋洪胜, 滕树云, 程传福
2012, 61 (7): 074201. doi: 10.7498/aps.61.074201
摘要 +
实验提取了弱散射体产生的菲涅耳极深区的散斑场.发现当散射距离一定时,弱散射体光场的相位分布特征随散射体的粗糙度的变化而变化;对于某一弱散射体,相位分布特征随散射距离的变化而变化;当弱散射体的粗糙度大到一定程度时,才产生相位涡旋现象;散射体表面上存在相位涡旋;弱散射体产生的相位涡旋的密度随散射屏粗糙度的增大而增大,还随散射距离的增大而增大.研究结果对于认识弱散射体的相位及相位涡旋分布特征随粗糙度和散射距离的演化具有重要意义,而且对于认识散斑场随散射距离的演化有一定的帮助.
相干和非相干合成光束对金属瑞利粒子的光学俘获
程科, 钟先琼, 向安平
2012, 61 (7): 074202. doi: 10.7498/aps.61.074202
摘要 +
研究了两光束的合成方式(相干和非相干合成)对俘获金属瑞利粒子的辐射力和稳定性的影响,着重研究了辐射力与合成方式、离轴距离、相干参数和粒子半径的关系.结果表明,不同合成方式下,离轴距离和相干参数都分别存在临界值dc和c,在0ddc或0c时,焦面处光强呈类高斯分布,此时横向梯度力能作为回复力提供稳定平衡点;而在ddc或c时,焦面处光强呈中心凹陷分布,此时横向梯度力不能作为回复力俘获金属瑞利粒子.在0ddc时,与非相干合成光束比较,相干合成光束在焦面处光强、辐射力、俘获刚性和纵向俘获范围更大.因此,适当选择合成方式,较小离轴距离和较低相干参数可有利于合成光束对金属瑞利粒子的俘获.
一级近似下的单模激光增益模型随机共振
张良英, 金国祥, 曹力
2012, 61 (7): 074203. doi: 10.7498/aps.61.074203
摘要 +
把周期信号输入单模激光,对激光增益模型中的乘法噪声项取一级近似通过计算相关函数得到功率谱,发现输出信号是洛伦兹型的.信噪比随抽运噪声强度和量子噪声强度的变化均出现随机共振,但共振峰对应的噪声强度比零级近似下的小.
单频光纤拉曼放大器的实验研究
许将明, 冷进勇, 韩凯, 周朴, 侯静
2012, 61 (7): 074204. doi: 10.7498/aps.61.074204
摘要 +
本文进行了1031 nm抽运光对1080 nm单频信号光的拉曼放大实验,详细研究了单频信号光种子功率、拉曼增益光纤长度、抽运方式等因素对 单频光纤拉曼放大器(SF-FRA)输出特性的影响.结果表明,在未受受激布里渊散射(SBS)因素限制时,相同抽运功率条件下,单频信号光种子功率越高,SF-FRA的效率越高;拉曼增益光纤越长,SF-FRA的效率越高;前向抽运时,SF-FRA的效率较高.实验中发现SF-FRA的拉曼放大过程对单频信号光的线宽有较小的展宽.此外,单频信号光远场干涉短曝光图像的对比度为0.814,单频信号光与SF-FRA放大光远场干涉短曝光图像可见度为0.719,表明SF-FRA对单频信号光的相干性有一定影响.实验结论可为其他特殊波长SF-FRA的设计提供一定的参考.
光折变非相干耦合空间孤子族统一理论
吉选芒, 姜其畅, 刘劲松
2012, 61 (7): 074205. doi: 10.7498/aps.61.074205
摘要 +
理论证明了稳态条件下有分压电阻和e偏振非相干均匀背景光辐照的光伏光折变晶体中存在非相干耦合空间孤子族.这种孤子族是由多束偏振方向和波长都相同的互不相干光束耦合形成的.孤子族各分量成分光束都能在晶体中稳定传播.当入射光束中只含有一个或两个分量时,空间孤子族退化为空间孤子或非相干耦合孤子对.当分压电阻、e偏振背景光、外加电场和光伏场取不同值时,可获得14种光折变非相干耦合空间孤子族.先前已报道的非相干耦合空间孤子族都可在不同条件下从本文中得到.
光谱扫描滤波法提升飞秒激光信噪比的理论分析
马再如, , 隋展, 冯国英, 孙年春, 王屹山, 张彬, 陈建国
2012, 61 (7): 074206. doi: 10.7498/aps.61.074206
摘要 +
在时间频率域中,啁啾脉冲被淹没在放大自发辐射等噪声中,且其瞬时频率线性分布,基于此,提出采用光谱扫描滤波的办法来提升高功率飞秒激光系统的信噪比,并以法布里珀罗干涉仪作为光谱扫描滤波器,对该法提升信噪比的效果进行了详细的理论分析.采用短时傅里叶变换方法,研究了光谱扫描滤波器对自发辐射放大(ASE)的滤波效果,数值分析表明,在时间抖动为-2 ps到2 ps之间、光谱扫描滤波器的通带宽度为0.4 nm条件下,该法能将飞秒激光系统的信噪比提升2个量级,而啁啾信号光以超过90%的透光率通过光谱扫描滤波器;级联光谱扫描滤波方式能进一步提升飞秒激光信噪比.
波前编码系统的点扩散函数稳相法分析
赵廷玉, 刘钦晓, 余飞鸿
2012, 61 (7): 074207. doi: 10.7498/aps.61.074207
摘要 +
本文利用稳相法从本质上分析了三次相位波前编码系统的点扩散函数特性.通过分析三次相位板任意位置掩膜带和点扩散函数的关系,指出点扩散函数和稳相点的关系:两个稳相点引起点扩散函数的振荡,一个稳相点则只会造成点扩散函数的平稳变化.相位掩膜带或相位掩膜对的对称结构是同一区域内存在两个稳相点的必要条件,对称结构的不同位置对应于点扩散函数的不同部分.这种对应关系同时解释了对焦点扩散函数只存在振荡,而离焦点扩散函数却还存在平缓变化区域的本质原因,这是由离焦时光学对称轴和几何对称轴不重合引起的.本文建立了点扩散函数和对称相位掩膜对之间的对应关系,可以有效地指导相位掩膜的加工和检验.
弯道交通流跟驰建模与稳定性分析
张立东, , 贾磊, 朱文兴
2012, 61 (7): 074501. doi: 10.7498/aps.61.074501
摘要 +
为发现弯道道路条件下交通流的演化特性及稳定条件,在全速度差最优模型的基础上,研究了弯道情况下的交通流跟驰模型表达式,并以状态空间法和控制系统的稳定性判据对其进行了稳定性分析,得到弯道情况下交通流的稳定条件,最后进行了数值模拟,验证了模型稳定条件的正确性.研究结果表明在相同的初始交通流密度情况下,弯道道路随着道路弧度的增大,交通流稳定性逐渐降低.
具有密度跃层分层流体中回转体激发内波特性实验
王进, 尤云祥, 胡天群, 王小青, 朱敏慧
2012, 61 (7): 074701. doi: 10.7498/aps.61.074701
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在具有连续密度跃层的分层流体中,对长径比为7:1的回转体在迎水和背水运动下激发体积效应与尾迹效应内波特性开展了系列实验.结果表明,体积效应激发内波属于一种相对于回转体定常的多模态Lee波结构,而尾迹效应激发主控内波为相对于回转体非定常的拟Lee波结构,这是一类由湍流尾迹中大尺度相干结构作为移动源激发的内波结构,在Lee波与拟Lee波之间存在一个与长径比近似为线性关系的临界转捩Froude数Frc,当FrFrc 时拟Lee波为主控内波,而当FrFrc时拟Lee波为主控内波,而且拟Lee波相关速度Froude数近似为一个常数0.8,其无因次峰-峰幅值随Fr的增大近似线性增大,其中Fr为回转体特征直径Froude数.结果还表明,回转体头部与尾部几何形式并不影响其激发内波临界转捩Froude数Frc、拟Lee波相关速度Froude数及其峰-峰幅值变化特性.
气体、等离子体和放电物理
外磁场对介质表面次级电子倍增效应的影响
蔡利兵, 王建国, , 朱湘琴, 王玥, 宣春, 夏洪富
2012, 61 (7): 075101. doi: 10.7498/aps.61.075101
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本文采用Particle-in-cell数值方法模拟研究了不同强度外磁场条件下的次级电子倍增效应过程,分析了外磁场对次级电子倍增效应的影响.结果表明,当外磁场达到一定强度时,次级电子倍增效应在微波传输的一半时间内被抑制.通过外磁场抑制,在理想条件下可以使介质窗的微波传输功率容量提高4倍以上.
偏滤器运行模式对托卡马克边缘区等离子体平行流的影响
欧靖, , 杨锦宏
2012, 61 (7): 075201. doi: 10.7498/aps.61.075201
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我们使用一维流体模型,根据在不同偏滤器运行模式下静压强沿着磁力线方向的分布变化,讨论了偏滤器运行模式对托卡马克边缘区等离子体平行流的影响.低再循环模式下,静压强从X点(X-point)附近的刮削层区域开始明显下降,变化趋势与密度变化趋势一致;等离子体平行流的马赫数在偏滤器区域逐步变大,变化从平缓到迅速.高再循环模式下,静压强在靶板附近的区域迅速下降,在其他区域变化非常小;等离子体平行流的马赫数仅在靠近靶板附近的区域迅速变大,在其他区域变化平缓.在弱脱靶模式下的静压强变化与高再循环模式下类似,不过静压强在X-point附近的刮削层区域开始出现下降的趋势,导致等离子体平行流的马赫数在X-point处的值比在高再循环模式下大.强脱靶模式下,静压强在刮削层区域开始明显下降,在远离靶板的偏滤器区域,静压强迅速下降的地方,观察到高马赫数等离子体平行流.静压强迅速下降引起动压强迅速上升来维持总的压强守恒是在强脱靶状态下产生高马赫数平行流的一种可能驱动机理.
HT-7托卡马克slide-away放电充气对等离子体行为的影响
卢洪伟, 查学军, 胡立群, 林士耀, 周瑞杰, 罗家融, 钟方川
2012, 61 (7): 075202. doi: 10.7498/aps.61.075202
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本文研究了slide-away放电条件下的等离子体约束性能;分析了充气对等离子体约束性能以及反常多普勒共振不稳定性的影响.研究了等离子体密度的提升对slide-away放电过程中逃逸电子辐射行为的影响.研究结果发现:slide-away放电充气可以抑制逃逸电子反常多普勒不稳定性,但是使得等离子体约束状态变差,逃逸电子辐射增强.
外磁场与温度对低温超导光子晶体低频禁带特性的影响
李春早, 刘少斌, , 孔祥鲲, 卞博锐, 张学勇
2012, 61 (7): 075203. doi: 10.7498/aps.61.075203
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文中用传输矩阵法(TMM)分析了TM波垂直入时,超导光子晶体的低频禁带特性,并讨论了外磁场与温度对禁带的影响.分析结果表明:超导光子晶体存在频率从0开始的低频禁带;当没有外磁场作用时,由于超导中正常态电子的影响,低频禁带的截止频率与温度无关;有外磁场作用时,温度才对截止频率具有可调性.外加恒定磁场时,低频禁带的截止频率随温度升高而减小;而在正常态电子的作用下,温度对处在超导态超导光子晶体禁带截止频率的调节范围相对忽略正常态电子情况下减小.恒温下,通过调节外磁场来控制带隙时,正常态电子的贡献很小可忽略不计;外磁场强度增大禁带截止频率减小.当超导体完全处于正常态时,低频禁带消失.
悬浮型微波共振探针在电负性容性耦合等离子体中电子密度的测量
邹帅, 唐中华, 吉亮亮, 苏晓东, 辛煜
2012, 61 (7): 075204. doi: 10.7498/aps.61.075204
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本文首先利用悬浮型微波共振探针测量了Ar等离子体的电子密度,并与朗缪尔双探针的测量结果进行了比较,表明了微波共振探针在低密度等离子体测量的可行性.对40.68 MHz单射频容性耦合Ar/SF6和SF6/O2等离子体的测量结果表明:电负性气体SF6掺入Ar等离子体显著降低了等离子体电子密度,但随着增加SF6的流量,电子密度表现为缓慢下降;而O2掺入SF6等离子体中,电子密度则随着O2流量的增加表现为持续的下降.另外,40.68 MHz/13.56 MHz双频激发的SF6/O2容性耦合离子体的电子密度并不随低频功率的变化而变化.本文对上述的实验现象进行了初步的解释.
等离子体鞘层附近尘埃颗粒特性的数值模拟
吴静, , 刘国, 姚列明, 段旭如
2012, 61 (7): 075205. doi: 10.7498/aps.61.075205
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为了研究尘埃等离子体中尘埃颗粒以及鞘层中粒子密度分布等特性,对尘埃颗粒存在条件下等离子体鞘层结构的采取数值模拟.采用稳态无碰撞的尘埃等离子体鞘层模型,对玻姆判据、尘埃颗粒的荷电性质、平板鞘层区域的电势分布及鞘层内粒子分布特性进行了系统的数值模拟研究.计算结果显示,鞘层边缘尘埃颗粒数密度的增加、尘埃温度的升高,将引起孤立尘埃颗粒对电子吸附能力的减弱,集体效应也受到一定程度的影响;二者同时对离子玻姆速度以及鞘层厚度的增加都有着极大的促进作用.鞘层电势在靠近下极区处降落迅速,主要聚集在接近阴极极板的鞘层区域,各种微粒数密度的空间分布满足准中性条件.
超强激光与Ar团簇相互作用中X射线的研究
孙彦乾, , 陈黎明, 张璐, 毛婧一, 刘峰, 李大章, 刘成, 李伟昌, 王兆华, 李英骏, 魏志义, 张杰
2012, 61 (7): 075206. doi: 10.7498/aps.61.075206
摘要 +
本文主要研究了超强超短激光与Ar团簇相互作用过程中X射线能谱、K壳层光子产额、能量转换效率以及激光对比度对X射线光子产额的影响.实验中得到K壳层的光子产额约为1 1011/发,能量转换效率约为2.8 10-5.同时观测到较强预脉冲离化团簇会导致预电离,产生膨胀等离子体,然而主脉冲与膨胀的等离子体相互作用的强度较未膨胀时降低了,从而导致K壳层光子产额降低,而使用高对比度的激光能增加X射线光子产额.
任意Atwood数Rayleigh-Taylor和 Richtmyer-Meshkov 不稳定性气泡速度研究
陶烨晟, 王立锋, , 叶文华, 张广财, 张建成, 李英骏
2012, 61 (7): 075207. doi: 10.7498/aps.61.075207
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本文将Layzer气泡模型推广到任意界面Atwood数情形,得到了自洽的微分方程组.该模型描述了气泡从早期的指数增长阶段到气 泡以渐近速度上升的非线性阶段的发展过程,给出了Rayleigh-Taylor(RT)和Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性的二维和 三维气泡速度渐近解,还求出了二维和三维RT不稳定性气泡顶点附近速度的解析解.
ICF实验软X射线能谱仪对辐射能流时间关联测量的时标系统
宋天明, 易荣清, 崔延莉, 于瑞珍, 杨家敏, 朱托, 侯立飞, 杜华冰
2012, 61 (7): 075208. doi: 10.7498/aps.61.075208
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介绍了时标系统的构成、原理和数据处理方法,并对时间关联的不确定度进行了分析.该时标系统成功将软X射线能谱仪自身多个探测通道的信号以及三台不同位置处的谱仪的时间信号关联起来,关联精度约为70 ps.在神光III原型激光装置上进行的实验中用软X射线能谱仪从不同方向测得辐射源和辐射输运管末端口辐射能流随时间的演化曲线,反映了输运管内热波沿轴向传输以及软X射线辐射流衰减的物理过程.
霍尔效应推力器放电双稳态机理研究
韩轲, , 江滨浩, 纪延超
2012, 61 (7): 075209. doi: 10.7498/aps.61.075209
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实验发现霍尔效应推力器在自励磁模式下具有两个稳定的放电工作点,且运行过程中在这两个工作点上往复跳变,很大程度上影响了推力器通道内等离子体的放电物理过程及其综合性能.本文结合推力器放电磁安特性曲线与励磁电流曲线的相互关系,给出了推力器放电双稳态特性形成的物理机理.在此基础上提出了通过改变励磁电流曲线斜率,使推力器稳定工作于单放电工作点的方法,结合一维动态流体模型给予了物理解释,并通过实验加以验证.
霍尔漂移对阳极层霍尔等离子体加速器电离效率的影响
耿少飞, 唐德礼, 邱孝明, 聂军伟, 于毅军
2012, 61 (7): 075210. doi: 10.7498/aps.61.075210
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以洛伦兹变换方法为基础,分析了阳极层霍尔等离子体加速器中电子的霍尔漂移,结果表明在交叉场中,霍尔漂移并不总是存在的,E/B的比值大于光速时,霍尔漂移将不存在.进一步的分析表明,霍尔漂移也并不总是回旋形式的,不同的电磁场配置以及不同的电子初始能量将带来不同形式的漂移,包括回旋形式,波浪线形式,甚至直线形式.电磁场的配置也决定着霍尔漂移的速度,在很大程度上影响着电子的能量,这就决定了放电时的电离效率.对不同电磁场配置进行数值模拟发现,合理的电磁场比值能够得到更好的电离效率(对于氩,这个数值大约为4106).不同的气体,根据其电离碰撞截面与电子能量的关系,都有不同的合理比值.
大气压介质阻挡放电超四边形斑图的等离子体参量
陈俊英, 董丽芳, 李媛媛, 宋倩, 嵇亚飞
2012, 61 (7): 075211. doi: 10.7498/aps.61.075211
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本工作利用双水电极介质阻挡放电装置,采用发射光谱方法,在大气压氩气介质阻挡放电中研究了由不同空间尺度 微放电通道构成的超四边形斑图的等离子体参量.实验发现直径较大的微放电通道(大点)和直径较小的微放电通道(小点)亮度不同.采用氮分子第二正带系谱线计算了分子振动温度,利用谱线强度比方法得到了电子激发温度,用氩原子696.54 nm谱线的Stark展宽估算了电子密度.结果显示小点的电子密度和分子振动温度均高于大点,而电子激发温度低于大点.这说明稳定超四边形斑图中不同尺度微放电的等离子体状态不同.
空气中飞秒激光等离子体荧光辐射光谱研究
郭凯敏, , 高 勋, 郝作强, 鲁毅, 孙长凯, 林景全
2012, 61 (7): 075212. doi: 10.7498/aps.61.075212
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系统地研究了不同聚焦条件下飞秒激光空气等离子体的荧光辐射特性以及空间演化情况.在紧聚焦情况下,由于焦点附近比较高的激光强度以及比较高的电子密度,辐射光谱表现为连续谱和线状原子光谱的叠加.在弱聚焦情况下,辐射光谱主要由很多分子线谱组成,而没有观测到连续谱的产生.还研究了光谱谱线强度随激光传输距离的演化情况,结果显示,光谱谱线的强度变化在一定程度上间接反映了等离子体细丝的演化情况.
前沿领域综述
烧蚀RT不稳定性X射线分幅诊断研究进展
曹柱荣, 缪文勇, 董建军, 袁永腾, 杨正华, 袁铮, 张海鹰, 刘慎业, 江少恩, 丁永坤
2012, 61 (7): 075213. doi: 10.7498/aps.61.075213
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在神光II装置上,利用高动态范围高性能X射线分幅相机开展了辐射驱动烧蚀RT不稳定性面背光实验研究.在神光II 8路2ns辐射源和第九路Mo背光条件下,利用二维时空照相获得了周期20 m、初始扰动1 m烧蚀RT样品清晰的增长过程,并通过掺Br比例1.1%样品观测到RT非线性增长的结果.实验为惯性约束聚变(inertial confinement fusion,ICF)RT不稳定性定量表征和数值模拟奠定了良好的基础.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
中带电压法分离栅控横向pnp双极晶体管辐照感生缺
席善斌, , 陆妩, 王志宽, 任迪远, 周东, 文林, 孙静
2012, 61 (7): 076101. doi: 10.7498/aps.61.076101
摘要 +
设计并制作了一种新型双极测试结构,即在常规横向pnp双极晶体管基区表面氧化层上淀积一栅电极,通过扫描栅极所加电压,获得漏极(集电极)电流随栅极电压的变化特性,利用中带电压法分离栅控横向pnp双极晶体管在辐照过程中感生的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷.本文对设计的晶体管测试结构和采用的测试方法做了具体介绍.
1064 nm激光对中性密度滤光片的损伤机理研究
刘岩岩, 韩敬华, 段涛, 牛瑞华, 孙年春, 高翔, 杜永兆, 杨李茗, 冯国英
2012, 61 (7): 076102. doi: 10.7498/aps.61.076102
摘要 +
中性密度滤光片的典型结构是在K9玻璃上镀金属膜,来实现对激光的有效吸收.由于损伤阈值较低,严重限制了其在高能激光系统中的应用.实验研究了较高激光能量密度下滤光片的损伤形貌和损伤机理.损伤形貌的变化特征是:随着激光能量密度的增加,滤光片先出现损伤点,后以损伤点为中心产生裂纹,且裂纹长度逐渐变长,最终连接成线状和块状,导致大面积的薄膜脱落.建立了缺陷吸收激光能量升温致中性密度滤光片表面薄膜损伤的模型,计算了薄膜表面的温度和应力分布,讨论了薄膜表面不均匀温升造成的径向、环向和轴向热应力分布.理论分析显示:环向应力是造成薄膜沿径向产生裂纹的主要原因.当激光能量密度大于约2.2 J/cm2,杂质粒子半径大于140 nm且相邻杂质粒子之间的距离小于10 m时,裂纹才能大量连接起来引起薄膜的大面积脱落.
K9和熔石英玻璃纳秒基频激光损伤特性的实验对比研究
刘红婕, 王凤蕊, 罗青, 张振, 黄进, 周信达, 蒋晓东, 吴卫东, 郑万国
2012, 61 (7): 076103. doi: 10.7498/aps.61.076103
摘要 +
利用光学元件基频激光损伤测试平台,通过实验测试相同条件下K9和熔石英两类常用 光学元件的初始损伤阈值、损伤增长阈值和损伤增长规律,对比研究了两类光学元件的基频激光损伤特性.结果表明,K9和熔石英光学元件的初始损伤阈值基本相同,损伤面积增长都遵循指数性增长规律,损伤深度成线性增长.但两者损伤增长特性仍有很大的差别,与熔石英相比,K9激光损伤增长阈值较低,并且相同通量下的激光损伤增长更为迅速,通过两类光学材料抗压性能的巨大差异很好地解释了这一现象.该研究结果对国内高功率激光装置的透射光学材料工程应用有非常重要的参考价值.
氮掺杂和空位对石墨烯纳米带热导率影响的分子动力学模拟
杨平, 王晓亮, 李培, 王欢, 张立强, 谢方伟
2012, 61 (7): 076501. doi: 10.7498/aps.61.076501
摘要 +
石墨烯是近年纳米材料研究领域的一个热点,其独特的热学性质受到了广泛关注,为了实现对石墨烯传热特性的预期与可控,利用氮掺杂和空位缺陷对石墨烯进行改性.采用非平衡态分子动力学方法研究了扶手形石墨烯纳米带中氮掺杂浓度、位置及空位缺陷对热导率影响并从理论上分析了热导率变化原因.研究表明氮掺杂后石墨烯纳米带热导率急剧下降,氮浓度达到30%时,热导率下降了75.8%;氮掺杂位置从冷浴向热浴移动过程中,热导率先近似的呈线性下降后上升;同时发现单原子三角形氮掺杂结构比多原子平行氮掺杂结构对热传递抑制作用强;空位缺陷的存在降低了石墨烯纳米带热导率,空位缺陷位置从冷浴向热浴移动过程中,热导率先下降后上升,空位缺陷距离冷浴边缘长度相对于整个石墨烯纳米带长度的3/10时,热导率达到最小.石墨烯纳米带热导率降低的原因主要源于结构中声子平均自由程和声子移动速度随着氮掺杂浓度、位置及空位缺陷位置的改变发生了明显变化.这些结果有利于纳米尺度下对石墨烯传热过程进行调控及为新材料的合成应用提供了理论支持.
聚对苯撑/LiNi0.5Fe2O4纳米复合热电材料的制备及其性能研究
吴子华, 谢华清
2012, 61 (7): 076502. doi: 10.7498/aps.61.076502
摘要 +
本文以流变相反应法原位合成了聚对苯撑/LiNi0.5Fe2O4纳米复合热电材料,并对其热电性能进行表征,研究了放电等离子烧结时保温时间对其热电性能的影响.结果发现,复合材料铁氧体颗粒粒径为100300nm,其外部被一层聚对苯撑膜包覆.电子在Fe2+和Fe3+之间的跳跃机理在铁氧体电导中占主导作用,因此聚对苯撑/LiNi0.5Fe2O4复合材料具有n型导电特性.随着保温时间增加,复合材料电导率基本不变,但热导率逐渐增大且Seebeck系数逐渐减小,导致热电优值系数降低.由于结合了有机物高电导率和低热导率以及无机材料高赛贝克系数的优点,所制备的复合材料热电性能较单一材料有较大提高.
铂纳米颗粒生长和表面结构的理论预测
陈熙, 林正喆, 殷聪, 汤浩, 胡蕴成, 宁西京
2012, 61 (7): 076801. doi: 10.7498/aps.61.076801
摘要 +
本文应用最近所建立的凝结势模型[2009 物理学报58 3293; 2009 J.Chem.Phys.130 164711]来确定铂纳米颗粒的表面结构,利用分子动力学模拟验证了该模型的可靠性.基于该模型所进行的第一性原理计算表明,各种形状的铂颗粒表面都以fcc的(111)面为主(约80%),(100)面形成的概率约10%,该结果与已有实验观测相符合.由于凝结势计算简单,该模型应是一种从理论上确定纳米颗粒表面结构的简便方法.
氧原子在Pt(111)表面和次表层的吸附与扩散
吕兵, , 令狐荣锋, 宋晓书, 王晓璐, 杨向东, 贺端威
2012, 61 (7): 076802. doi: 10.7498/aps.61.076802
摘要 +
氧原子在Pt表面的吸附和扩散是理解氧化和腐蚀等问题的基础.基于密度泛函理论和周期平板模型研究了氧原子在Pt(111)表面及次表层的吸附,通过扫描隧道显微镜(STM)的理论计算分析了吸附的结构特征.采用CI-NEB方法讨论了氧原子在Pt(111)表面和次表层的扩散过程.研究结果表明氧原子在Pt(111)表面的扩散比较容易,而氧原子向次表层的扩散相对较难,这主要是因为次表层的扩散需要经过一个Pt原子层,必须克服一定的能垒,从而说明过渡金属Pt具有很强的抗氧化性.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
过渡金属(Fe,Co,Ni,Zn)掺杂金红石TiO2的电子结构和光学性质
张小超, 赵丽军, 樊彩梅, 梁镇海, 韩培德
2012, 61 (7): 077101. doi: 10.7498/aps.61.077101
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对未掺杂以及不同浓度过渡金属Fe,Co,Ni,Zn掺杂金红石TiO2的超晶胞体系进行了几何优化,并讨论了其晶格常数,电子能带结构和光学性质.研究结果表明:掺杂前后的晶格参数与实验值偏差在3.6%以下;适量的过渡金属掺杂不但影响体系能带结构,拓宽光吸收范围,而且扮演着俘获电子的重要角色,有利于光生电子-空穴对的有效分离以及增强光吸收能力;Fe,Co,Ni,Zn最佳理论掺杂体系分别为Ti0.75Fe0.25O2,Ti0.75Co0.25O2,Ti0.75Ni0.25O2,Ti0.83Zn0.17O2;Fe,Co,Ni3d态分裂为t2g和eg态,分别贡献于价带高能级和导带低能级部分,促进了电子-空穴对的生成,从而可提高TiO2的光催化性能;Zn3d态电子成对填满轨道,不易被激发,故光催化活性无明显提高.
Eu掺杂量对锐钛矿相TiO2电子寿命和吸收光谱影响的第一性原理研究
李聪, 侯清玉, 张振铎, 张冰
2012, 61 (7): 077102. doi: 10.7498/aps.61.077102
摘要 +
采用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,建立了不同Eu掺杂量的锐钛矿相TiO2超胞模型,计算了其态密度、差分电荷密度、能带结构和吸收光谱.结果发现:掺杂后Eu在TiO2的禁带中产生杂质能级.通过对比两种不同Eu掺杂量(1.39at%和2.08at%)下的锐钛矿TiO2的能带结构,发现掺杂量越高,杂质能级越向深能级方向移动,说明电子复合率随杂质浓度增加而增加,即电子寿命变小,同时吸收光谱红移越显著,强度越强.根据实际需要,可在锐钛矿TiO2中适量掺杂Eu,在适当减少电子寿命情况下,使吸收光谱红移.
一级相变材料Mn1.2Fe0.8P0.4Si0.6的热磁发电性能
毕力格, 特古斯, 伊日勒图, 石海荣
2012, 61 (7): 077103. doi: 10.7498/aps.61.077103
摘要 +
本文报道把热能直接转换电能的热磁发电技术所用一级相变新材料Mn1.2Fe0.8P0.4Si0.6的磁性和热磁发电性能.用高能球磨机械合金化技术和固相烧结合成方法制备了Mn1.2Fe0.8P0.4Si0.6化合物.磁性测量结果表明,该化合物呈现从铁磁状态变为顺磁状态的一级相变,居里温度为337K,并伴随巨大的磁化强度的变化.根据该材料的这一特性,设计制作了热磁发电演示装置,测定了热流引起材料的相变而产生的电流,并研究了固定磁场中热致磁转变产生的电流随热流温度和样品质量的变化.研究结果表明Mn1.2Fe0.8P0.4Si0.6化合物具有很好的热磁发电性能,可作为热磁发电材料.
锯齿型石墨纳米带叠层复合结的电子输运
胡飞, 段玲, 丁建文,
2012, 61 (7): 077201. doi: 10.7498/aps.61.077201
摘要 +
基于紧束缚格林函数方法,研究了两半无限长锯齿型石墨纳米带叠层复合结的电子输运性质.结果表明,层间次近邻相互作用、叠层区长度及门电压对复合结的电子透射谱有重要调制作用.层间次近邻相互作用导致复合结的透射谱关于费米能呈现非对称性,与实验结果很好相符.低于费米能第一子能区内周期性出现透射系数为0和1的台阶,呈现全反射与透射现象.随散射结长度增加,透射系数在1内周期性振荡,呈现明显的量子干涉效应.在门电压调控下,低于费米能的透射系数出现了从1到0的转变,类似于开关效应.相关结果对基于石墨烯器件的设计与应用有指导意义.
瞬态光电流对有机薄膜光伏器件中肖特基接触的研究
李博, 邵剑峰
2012, 61 (7): 077301. doi: 10.7498/aps.61.077301
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制备了结构为氧化铟锡(ITO)/有机半导体/金属的有机薄膜光伏器件,电流电压曲线显示其具有整流特性但有机半导体和电极间肖特基接触的内建电场方向很难判定.为了研究有机半导体和电极的肖特基接触特性,分别制备了结构为ITO/有机绝缘层/有机半导体/金属和ITO/有机半导体/有机绝缘层/金属的器件,通过调制激光照射下器件的瞬态光电流方向可容易判断有机半导体和电极间肖特基接触的内建电场方向,外加偏压下瞬态光电流的强度变化进一步证实了判断的正确性.
纳米金属Tm的电子浓度研究
侯碧辉, 刘凤艳, 焦彬, 岳明
2012, 61 (7): 077302. doi: 10.7498/aps.61.077302
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电子浓度是与金属的宏观特性相关的重要参数.反射光谱和霍尔效应分别是得出电子浓度和载流子浓度的基本实验.两个纳米稀土金属铥Tm样品(样品1,平均粒径100nm,样品2,平均粒径10nm)的红外紫外反射光谱实验表明,金属铥Tm表面的反射光学性质具有金属的特征,6s能带具有与碱金属相近的电子浓度np,数值分别为2.4341028/m3和1.7011028/m3.而样品的霍尔效应实验测得金属Tm的载流子是电子-空穴型的,载流子浓度nH仅分别为8.0321024/m3和7.6791024/m3,仅仅是费米面附近的电子-空穴状态.另外,铥Tm的电导率比半导体的大3个量级.晶粒纳米化使电子浓度np减小,电导率减小,载流子浓度减小,而霍尔系数RH增大.
硼氮原子取代掺杂对分子器件负微分电阻效应的影响
范志强, 谢芳
2012, 61 (7): 077303. doi: 10.7498/aps.61.077303
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利用基于非平衡格林函数和密度泛函理论相结合的第一性原理计算方法,研究了硼氮原子取代掺杂对三并苯分子电子输运性质的影响.计算结果表明,三并苯分子器件的电流在特定偏压区间内随电压的增加而减小呈现出负微分电阻效应,电流的峰谷之比高达5.12.用硼原子或者氮原子取代分子的中心原子后,器件0.8V以内的电流明显增加,但是负微分电阻效应减弱,相应的电流峰谷比分别降至3.83和3.61.分析认为,输运系数在特定偏压下的移动是器件负微分电阻效应的主要成因.核外电子数的差异导致硼氮原子掺杂取代可以使器件轨道及其透射峰分别向高能方向或者低能方向移动从而有效地调控了器件的低偏压下的电子传输能力和负微分电阻效应.
液体中静态介电常数随温度渡越行为及其关联特征研究
张丽丽, 黄心茹, 周恒为, , 黄以能
2012, 61 (7): 077701. doi: 10.7498/aps.61.077701
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为了通过液体静态介电常数随温度的变化行为,归纳总结液体中分子间取向关联极化的一般规律,在现有的文献中,筛选了分子的电子极化远小于分子间取向关联极化的18种液体材料,并对其静态介电常数随温度的变化行为进行了分析研究.结果表明,液体中静态介电常数随温度变化存在一个普遍的渡越行为,并且对应于该种渡越,至少存在两种分子之间的取向关联序,一种随温度降低而增强,而另一种则减弱.
0.5NdAlO3-0.5CaTiO3电子结构及光学性质的第一性原理计算
杨春燕, 张蓉, 张利民, 可祥伟
2012, 61 (7): 077702. doi: 10.7498/aps.61.077702
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采用基于第一性原理密度泛函理论的平面波赝势方法,对0.5NdAlO3-0.5CaTiO3晶体进行结构优化,并对其能带结构,态密度和光学性质进行了理论计算.结构优化后晶格参数与实验数据相符合,误差小于1%;能带计算结果表明0.5NdAlO3-0.5CaTiO3为间接带隙,带隙值为0.52eV;费米面附近的能带由Nd-4f,O-2p,Nd-4p,Al-3p,Ti-4d层的电子态密度确定.同时也计算了该结构的介电函数,反射率和复折射率等光学性质.
基于多角度偏振相机的城市典型地物双向反射特性研究
谢东海, , 顾行发, 程天海, 余涛, 李正强, 陈兴峰, 陈好, 郭婧
2012, 61 (7): 077801. doi: 10.7498/aps.61.077801
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基于高空间分辨率多角度偏振相机(directional polarimetric camera,DPC)获取的中国珠江三角地区典型地表多角度航空数据,在航空尺度上反演得到城市区域四种典型地物的三种半经验双向反射率(bidirectional reflectance distribution function,BRDF)模型的参数,并对模型精度进行分析.结果表明,三种半经验BRDF模型对多角度反射率数据都有较好的拟合能力,其中,Ross-Li模型对森林类型的拟合误差最小,Ross-Roujean模型对裸土类型的拟合误差最小,RPV模型对城市和灌木类型的拟合误差最小.在此基础上,重点分析了四种城市典型地物高空间分辨率的双向反射特性,研究发现,不同地物的反射率存在差别,但整体趋势都随着散射角的变大而变大.城市区域典型地物类型双向反射特性的研究,将为基于遥感数据探测地表和大气物理光学参数提供理论支持.
掺杂浓度和烧结温度对CaWO4:Eu3+发光性能的影响
高杨, , 吕强, 汪洋, 刘占波
2012, 61 (7): 077802. doi: 10.7498/aps.61.077802
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采用微乳液法合成掺杂浓度不同和烧结温度不同的CaWO4:Eu3+系列荧光体, 这些荧光体都具有Eu3+离子的特征荧光发射. 在不同温度烧结后, 高浓度掺杂的样品(Eu3+掺杂30或50 mol%)可获得最大的发光强度, 低浓度掺杂的样品(掺杂0.52 mol%)在800 ℃烧结时也可获得优异的发光强度. 实验结果表明, Eu3+离子高浓度掺杂的CaWO4:Eu3+在紫外光激发下可成为高效发光的荧光粉.
等离子喷涂含钪氧化物阴极制备及发射特性研究
张敏, , 王小霞, 罗积润, 廖显恒
2012, 61 (7): 077901. doi: 10.7498/aps.61.077901
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在三元碳酸盐中加入微量钪,利用大气等离子喷涂方法制备出含钪等离子喷涂氧化物阴极. 制备过程中,在三元碳酸盐原来配比基础上增加12%22%(摩尔百分比)的碳酸钡进行混合, 并将该混合物进行造粒,在造粒过程中加入微量的钪.利用扫描电子显微镜分析了等离子喷涂材料的形态和分布,表明符合等离子喷涂对粉末大小和形状的要求,并解决了等离子喷涂过程中钡的损失问题. 对这种新型氧化物阴极的分解排气过程进行详细分析,结果表明,排气时这种阴极比普通喷涂阴极出气少且分解时间短.对发射性能及寿命进行测试,结果显示这种新型氧化物阴极的性能显著提高,阴极寿命延长.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
金属橡胶迟滞特性本构模型研究
朱彬, 马艳红, 张大义, 洪杰
2012, 61 (7): 078101. doi: 10.7498/aps.61.078101
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金属橡胶作为一种新型阻尼材料, 其原材料及加工工艺具有一定特殊性. 基于材料的细观结构特征, 选取了金属丝螺旋卷作为金属橡胶的基本微元体结构, 并以圆柱压缩螺旋弹簧理论为基础, 分别建立了横向和纵向排列微元体结构的刚度. 鉴于库仑摩擦模型, 分别建立三种接触状态螺旋卷接触对的力学模型. 考虑整个加工工艺流程的特点, 分析了不同接触状态数目变化规律, 建立了金属橡胶迟滞特性本构模型. 从理论上解释了金属橡胶迟滞特性的特点, 以及刚度和阻尼非线性的产生机理. 最后, 通过对比不同相对密度金属橡胶试件的理论和试验结果, 验证了理论模型的适用性. 本模型从螺旋卷微元体结构上描述了金属橡胶迟滞特性, 为工程上预测和分析金属橡胶的刚度、阻尼特性和设计金属橡胶产品提供了有效的理论基础.
高长径比柱状金刚石的高温高压合成与机理研究
胡美华, 马红安, 颜丙敏, 张壮飞, 李勇, 周振翔, 秦杰明, 贾晓鹏
2012, 61 (7): 078102. doi: 10.7498/aps.61.078102
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为了拓展金刚石的种类和解决金刚石工具使用过程中因把持力不足造成的使用寿命降低等, 在中国式六面顶压机上, 通过对FeNi触媒成分和工艺的优化, 成功合成出高质量长径比大于2.5, 平均粒度在0.81.0 mm的柱状金刚石晶体. 该晶体独特的形貌, 将极大改善金刚石工具的在使用过程中出现的脱粒现象. 另外, 实验中发现, 柱状金刚石晶体的生长速度也远大于传统晶体的生长速度. 采用扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)等手段对柱状金刚石晶体及晶体周围触媒成分进行了表征; 结果表明, 柱状金刚石晶体在生长过程中存在{100}和{111}晶面拉长, 以及包覆在晶体周围的触媒成分偏析. 在此基础上, 阐明了柱状晶体生长机理.
苝四甲酸二酐有机单晶纳米结构的制备及形成机理的研究
韩玉岩, 曹亮, 徐法强, 陈铁锌, 郑志远, 万力, 刘凌云
2012, 61 (7): 078103. doi: 10.7498/aps.61.078103
摘要 +
在分子束外延(MBE)系统中, 利用物理气相沉积(PVD)的方法在阳极氧化铝(AAO)模板上制备了有机 染料分子苝四甲酸二酐(PTCDA)的不同纳米结构; 并使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)以及选区电子衍射(SAED)技术进行了系统的研究. 结果发现, 当衬底温度(Ts)为330 ℃时得到的是纳米丝、针、带以及棒;Ts为280 ℃, 230 ℃, 180 ℃时得到的主要是纳米棒, 并且纳米棒的长度随Ts的降低而变短; Ts为50 ℃时只能得到连续的PTCDA薄膜. HRTEM以及SAED结果证实了纳米针与棒为单晶. 依据SEM结果, 提出纳米结构的生成主要受Ts以及衬底表面曲率的影响.
硅基低位错密度厚锗外延层的UHV/CVD法生长
陈城钊, , 郑元宇, 黄诗浩, 李成, 赖虹凯, 陈松岩
2012, 61 (7): 078104. doi: 10.7498/aps.61.078104
摘要 +
利用超高真空化学气相淀积系统, 基于低温缓冲层和插入应变超晶格的方法, 在Si(100)衬底上外延出厚度约为880 nm的纯Ge层. 采用X射线双晶衍射、高分辨透射电镜、原子力显微镜和光致发光谱分别表征了其结构及光学性质. 测试结果显示外延Ge的X射线双晶衍射曲线半高宽为273, 表面均方根粗糙度为0.24 nm, 位错密度约为1.5106 cm2. 在室温下观测到外延Ge的直接带跃迁光致发光, 发光峰值位于1540 nm. 表明生长的Si基Ge材料具有良好的结晶质量, 可望在Si基光电子器件中得到应用.
丝电爆过程的电流导入机理
毕学松, 朱亮, 杨富龙
2012, 61 (7): 078105. doi: 10.7498/aps.61.078105
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丝电爆制备纳米粉时, 电流从电极导入金属丝的过程直接影响电极烧损和粉末中微米级大颗粒产生. 分别通过接触和气体放电两种方式导入电流进行电爆试验. 结果表明, 光测量装置检测到的丝端部光电流几乎与回路放电电流同时产生, 而中间位置的光电流则要滞后一段时间; 由探针收集的产物确定, 金属丝端部主要形成熔融粒子, 中间部分主要形成气相粒子. 分析可知, 接触方式导入电流时, 丝端部也存在气体放电现象, 大电流主要通过气体放电形成的等离子体导入. 等离子体对电流的旁路作用会阻碍能量向金属丝沉积, 这是产生微米级大颗粒和积瘤主要原因. 通过气体放电方式导入电流时, 电极烧损明显减轻, 并可以避免积瘤产生.
脉冲磁场下水热法制备Cr掺杂ZnO稀磁半导体晶体
朱明原, 刘聪, 薄伟强, 舒佳武, 胡业旻, 金红明, 王世伟, 李瑛
2012, 61 (7): 078106. doi: 10.7498/aps.61.078106
摘要 +
本文以ZnCl2, CrCl3. 6H2O和氨水缓冲溶液为原料, 在4T脉冲磁场下水热法制备了Cr掺杂ZnO稀磁半导体晶体, 通过X射线衍射分析、扫描电子显微镜观察及采用振动样品磁强计进行磁性分析等, 探讨了脉冲磁场对其微观结构及磁性能的影响. 结果表明: Cr掺杂ZnO稀磁半导体晶体仍保持ZnO的六方纤锌矿结构, 脉冲磁场具有促进晶粒生长及取向排列的作用, 4T脉冲磁场条件下合成的Cr掺杂ZnO稀磁半导体具有良好的室温铁磁性, 其饱和磁化强度(Ms)为0.068 emu/g, 而无脉冲磁场情况下制备的样品室温下呈顺磁性, 并且, 脉冲磁场下制备将稀磁半导体的居里温度提高了16 K.
双极晶体管微波损伤效应与机理
马振洋, 柴常春, 任兴荣, 杨银堂, 陈斌
2012, 61 (7): 078501. doi: 10.7498/aps.61.078501
摘要 +
结合Si基n+-p-n-n+外延平面双极晶体管, 考虑了器件自热、高电场下的载流子迁移率退化和载流子雪崩产生效应, 建立了其在高功率微波(high power microwave, HPM)作用下的二维电热模型. 通过分析器件内部电场强度、电流密度和温度分布随信号作用时间的变化, 研究了频率为1 GHz的等效电压信号由基极和集电极注入时双极晶体管的损伤效应和机理. 结果表明集电极注入时器件升温发生在信号的负半周, 在正半周时器件峰值温度略有下降, 与集电极注入相比基极注入更容易使器件毁伤, 其易损部位是B-E结. 对初相分别为0和的两个高幅值信号的损伤研究结果表明, 初相为的信号更容易损伤器件, 而发射极串联电阻可以有效的提高器件的抗微波损伤能力.
栅控电子枪中轮辐栅网截止放大系数的研究
李飞, , 肖刘, 刘濮鲲, 易红霞, 万晓声
2012, 61 (7): 078502. doi: 10.7498/aps.61.078502
摘要 +
本文首先建立轮辐栅网结构模型, 分区计算其屏蔽系数和单个栅格内栅丝半径与该栅格面积之比, 结合 Spangenberg书中的结论给出了轮辐栅网截止放大系数的新表达式, 然后详细地研究了栅丝半径、各环区所对球心角以及径向栅丝数目对截止放大系数的影响, 并计算了温度升高之后截止放大系数的变化, 最后给出了设计轮辐栅网的步骤和具体实例. 结果显示, 根据新表达式设计的栅网具有更好的稳定性和可靠性, 能够很好地解决平板正方形栅格近似中存在的问题.
金刚石薄膜中二次电子输运的蒙特卡罗模拟
李鹏, 许州, 黎明, 杨兴繁
2012, 61 (7): 078503. doi: 10.7498/aps.61.078503
摘要 +
本文通过编写的二维MATLAB蒙特卡罗程序, 对倍增的二次电子在金刚石薄膜中的输运特性进行了初步模拟. 研究表明: 二次电子的迁移率对温度和外加电场的大小很敏感, 在杂质浓度比较低时(1017/cm-3)受杂质浓度的影响不大. 模拟得到的二次电子的饱和速度为1.88107 cm/s, 无外加电场时的迁移率为3732 cm2 /V.s. 同时, 通过对二次电子束团在金刚石薄膜中的整体输运特性的模拟, 证明了束团电荷密度在应用要求的范围内时, 空间电荷力的影响可以忽略不计.
非对称HALO掺杂栅交叠轻掺杂漏围栅MOSFET的解析模型
李聪, 庄奕琪, 韩茹, 张丽, 包军林
2012, 61 (7): 078504. doi: 10.7498/aps.61.078504
摘要 +
为抑制短沟道效应和热载流子效应, 提出了一种非对称HALO掺杂栅交叠轻掺杂漏围栅MOSFET新结构. 通过在圆柱坐标系中精确求解三段连续的泊松方程, 推导出新结构的沟道静电势、阈值电压以及亚阈值电流的解析模型. 结果表明, 新结构可有效抑制短沟道效应和热载流子效应, 并具有较小的关态电流. 此外, 分析还表明栅交叠区的掺杂浓度对器件的亚阈值电流几乎没有影响, 而栅电极功函数对亚阈值电流的影响较大. 解析模型结果和三维数值仿真工具ISE所得结果高度符合.

编辑推荐

相移吸收二元性算法用于X射线混合衬度定量显微CT的可行性研究
刘慧强, , 任玉琦, 周光照, 和友, 薛艳玲, 肖体乔
2012, 61 (7): 078701. doi: 10.7498/aps.61.078701
摘要 +
本文采用相移吸收二元性(PAD)相位恢复算法来实现混合 衬度样品内部不同密度组分的定量成像, 采用数字模拟和实验研究验证该方法的可行性. 模拟结果表明, 对于三种不同材料其重构误差均小于1%, 且误差值随材料折射率的增大而减小. 利用上海光源X射线成像线站开展了实验研究, 结果表明用单距PAD相位恢复算法可获取样品的定量信息. 与模拟结果相比, 实验中的重构精度相对较低, 环状伪影可能是影响精度的主要原因. 模拟和实验研究过程中, 均只采用了一组单距投影数据. 可以认为, 相移吸收二元性算法可用于混合衬度样品的定量信息分析研究. 由于剂量相对较低, 应可适合于软组织和骨骼同时存在时生物医学样品的定量相衬CT研究.
基于半经验模型对大面积染料敏化太阳电池性能影响因素的研究
吴宝山, 王琳琳, 汪咏梅, 马廷丽
2012, 61 (7): 078801. doi: 10.7498/aps.61.078801
摘要 +
以影响大面积染料敏化太阳电池性能的几个物理参量和几何参量为切入点, 分析了内部电阻对电池性能的影响, 针对几种构型不同的大面积电池, 建立了效率的半经验模型. 根据并联、串联、和各单元独立式串并联的大面积电池的相关物理参量和几何参量, 对电池效率进行了计算. 通过比较计算值与测试值的偏差, 分析了半经验模型的适用性. 在半经验模型的基础上, 分析了相关物理参量和几何参量对电池性能的影响. 结果表明, 在实际应用中, 通过半经验模型分析物理参量和几何参量的影响, 可以优化大面积电池的性能.