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Vol. 61, No. 9 (2012)

2012年05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 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 前沿领域综述
前沿领域综述
物理学交叉学科及有关科学技术领域 地球物理学、天文学和天体物理学
总论
固体颗粒的结构演化与机械力化学效应
徐波, 王树林, 李来强, 李生娟
2012, 61 (9): 090201. doi: 10.7498/aps.61.090201
摘要 +
干法、室温振动研磨制备铝超微颗粒, 分别将研磨2 h, 4 h和8 h的铝粉, 在常温下超声水解得到白色Al(OH)3胶体, 水解产品经干燥、研磨、焙烧后制备出多孔、片状-Al2O3纳米颗粒, 粒度分布在3050 nm之间. 借助于X射线衍射(XRD)分析方法和透射电子显微镜(TEM), 研究固体颗粒在细化过程中的能量转换, 分析颗粒的微结构演化与机械力化学反应的关系, 确定理想的研磨时间. 研究结果表明: 固体颗粒在机械力的作用下产生大量的应变和位错缺陷, 使材料处于亚稳、高能活性状态, 易于诱发机械力化学反应, 在一定条件下晶体的表面能、应变能和层错能相互转化; 研磨2 h的铝颗粒内部, 晶格畸变和位错概率最大, 材料显示出极高的化学反应活性, 在超声波激发下, 储存在材料内部的能量被充分释放, 在较短的时间内, 水解生成Al(OH)3纳米颗粒.
一种无线传感器网络簇间拓扑演化模型及其免疫研究
王亚奇, 杨晓元
2012, 61 (9): 090202. doi: 10.7498/aps.61.090202
摘要 +
基于复杂网络理论, 研究由于节点失效所导致的无线传感器网络性能下降的问题, 提出一种新的簇间拓扑演化模型, 在此基础上讨论病毒的免疫策略, 并给出一种新的免疫机理. 理论分析表明, 该模型演化生成的网络不仅具有较强的容错性, 而且还可以有效避免节点因能量很快耗尽而过早死亡. 研究还发现, 对于网络全局信息未知的情况, 与随机免疫和熟人免疫策略相比, 本文所提免疫策略能够获得较好的免疫效果. 通过数值仿真对理论分析进行验证.
超冷原子向异核四聚物分子A3B的绝热转化
李冠强, 彭娉, 曹振洲, 薛具奎
2012, 61 (9): 090301. doi: 10.7498/aps.61.090301
摘要 +
提出了利用Efimov共振辅助的受激拉曼绝热通道(ER-STIRAP) 过程实施超冷原子向异核四聚物分子A3B转化的理论方案, 得到了转化过程中中间态分别为同核Efimov三聚物A3和异核Efimov三聚物A2B两种途径下系统的暗态解, 证实了ER-STIRAP技术对超冷异核四聚物分子A3B合成的可行性和有效性. 研究了外场参数, 包括缔合光脉冲的强度、脉宽、磁耦合强度及其失谐量等对A3B形成的影响. 对两种不同中间态的转化途径进行比较发现, 与中间态为异核Efimov三聚物A2B的途径相比, 经历中间态为同核Efimov三聚物A3的途径时系统实现最终四聚物分子A3B的产率更高. 另外, 还讨论了系统内禀的非线性和中间态的自发辐射损失对异核四聚物分子合成的影响.
一种数字控制单相全桥逆变电路运动行为分析方法研究
雷博, 肖国春, 吴旋律
2012, 61 (9): 090501. doi: 10.7498/aps.61.090501
摘要 +
考虑到数字控制单相全桥逆变电路PWM调制方法和滤波器、负载结构的多样性, 以及利用状态转移矩阵对系统运动行为分析方法的局限性. 通过解析表达状态转移矩阵中的元素, 本文提出了一种可以解析描述具有N个状态变量、一个开关周期内M次拓扑 变化的数字控制单相全桥逆变电路(简称N-M数字控制单相全桥逆变电路)系统参数 与运动行为关系的分析方法. 以3-3数字控制单相全桥电压逆变电路为例对上述分析方法进行了验证, 推导出了该三阶电路发生Hopf分岔的解析判别式、稳定范围及Hopf分岔振荡频率的解析表达式, 并通过Simulink仿真及电路实验证明了理论分析的正确性.
一类动力学系统通过函数耦合实现混沌同步
秦卫阳, 孙涛, 焦旭东, 杨永锋
2012, 61 (9): 090502. doi: 10.7498/aps.61.090502
摘要 +
非线性动力学系统的混沌同步, 一般采用单向线性耦合的控制方式, 对于函数耦合方式研究的比较少. 这就存在一个问题, 对于非线性动力学系统, 在线性耦合实现混沌同步后, 是否其他函数的耦合方式都可以实现混沌同步? 本文对于一类非线性动力学系统, 研究了其线性耦合同步与函数耦合同步的关系, 证明当线性耦合实现同步后, 函数在满足一定的条件下, 可以通过函数耦合实现系统的混沌同步. 最后对于Duffing系统采用两种函数耦合进行了仿真计算, 证明了结论的正确性.
基于比较系统方法的分数阶混沌系统脉冲同步控制
马铁东, 江伟波, 浮洁
2012, 61 (9): 090503. doi: 10.7498/aps.61.090503
摘要 +
针对一类分数阶混沌系统的同步问题, 提出基于比较系统理论的脉冲同步方法. 通过构造新的响应系统, 可将原分数阶同步误差系统转化为整数阶同步误差系统, 基于Lyapunov稳定性理论与脉冲微分方程理论, 给出一组新的分数阶混沌系统全局渐近同步判据. 特别地, 当脉冲间距与脉冲控制增益为常数时, 可获得更为简单和实用的同步判据. 与现有结果相比, 所得充分条件更为严格和实用. 通过对分数阶Chen系统同步问题的数值仿真研究, 验证了所提方法的有效性和可行性.
节点结构互异的复杂网络的时空混沌反同步
吕翎, 柳爽, 张新, 朱佳博, 沈娜, 商锦玉
2012, 61 (9): 090504. doi: 10.7498/aps.61.090504
摘要 +
研究了节点结构互异的离散型时空混沌系统构成复杂网络的反同步问题. 通过构造合适的Lyapunov函数, 确定了复杂网络中连接节点之间的耦合函数的结构以及控制增益的取值范围. 以物理中具有时空混沌行为的激光相位共轭波空间扩展系统、Gibbs电光时空混沌 模型、Bragg声光时空混沌模型以及一维对流方程的离散形式作为 网络节点构成的复杂网络为例进行了仿真模拟, 发现整个网络存在稳定的混沌反同步现象.
5(6)羧基荧光素敏化TiO2纳米粒子的光致电子转移的荧光特性研究
蒋礼林, , 宋云飞, 刘伟龙, 于国洋, 何兴, 王阳, 吴红琳, 杨延强
2012, 61 (9): 090505. doi: 10.7498/aps.61.090505
摘要 +
通过水解TiCl4制备了锐钛矿结构TiO2纳米粒子, 并用时间分辨荧光光谱研究了5(6)CFL(5(6)-Carboxyfluorescein, 简称5(6)CFL)染料敏化TiO2纳米粒子体系的光致电子转移动力学. 5(6)CFL染料敏化TiO2纳米粒子能形成电荷转移复合物, 这归因于染料分子的激发电子态波函数(D*)与电荷分离态波函数(D+ +e-)之间的耦合作用. 当激发5(6)CFL染料敏化TiO2纳米粒子体系时, 电子以两种不同方式注入TiO2纳米粒子导带: 第一, 通过5(6)CFL染料分子的激发态注入; 第二, 从电荷转移复合物(5(6)CFL/TiO2)直接注入. 时间分辨荧光光谱表明, 在水溶液中纯5(6)CFL染料的荧光以寿命为1=41 ps (74.4%) 和2=3.22 ns (25.6%) 的双e指数衰减, 而5(6)CFL染料敏化TiO2纳米粒子体系的荧光分别以时间常数为1=44 ps (90.4%),2=478 ps (8.6%) 和3=2.41 ns (1.0%) 的三e指数衰减. 本文的研究工作能够为染料敏化太阳能电池的光致电子转移机理提供有价值的参考.
网络交通流动态演化的混沌现象及其控制
刘诗序, 关宏志, 严海
2012, 61 (9): 090506. doi: 10.7498/aps.61.090506
摘要 +
本文以含2条平行路径的交通网络为例, 探讨了网络交通流逐日动态演化问题. 首先, 建立了动态系统模型来刻画网络交通流的演化过程, 动态系统模型的不动点就是随机用户平衡解, 证明了平衡解存在且唯一. 然后, 根据非线性动力学理论, 推导出了网络交通流演化的稳定性条件. 其次, 通过数值实验, 分析了网络交通流的演化特征, 发现了在一定条件下流量的周期振荡和混沌现象. 最后, 以OD需求为控制变量推导出了网络交通流混沌控制的方法.
时空混合调制型偏振干涉成像光谱仪的全视场偏振信息探测研究
祝宝辉, , 张淳民, 简小华, 曾文锋
2012, 61 (9): 090701. doi: 10.7498/aps.61.090701
摘要 +
基于Savart板的新型时空混合调制型偏振干涉成像光谱仪(TSMPIIS)是一种静态、小型化、高稳定性的遥感偏振探测器件, 可以用来实现对目标的光谱信息以及偏振信息的探测. 目前, 已经确立了通过旋转TSMPIIS偏振片法来实现测量的方案, 然而该方案破坏了TSMPIIS系统原有的稳定结构, 降低了仪器的测量精度和可靠性. 为克服旋转偏振片法的不足, 本文从TSMPIIS的探测原理出发, 通过分析和计算TSMPIIS的Mueller矩阵, 推导出了全视场角度的TSMPIIS旋转偏振探测法的基本公式, 论证了TSMPIIS全视场偏振信息探测的可行性和准确性, 为TSMPIIS的遥感探测以及Stokes参数的反演提供了理论依据, 进一步拓展了TSMPIIS遥感探测的优越性.
核物理学

编辑推荐

相对论重离子碰撞中部分相干源的相干因子
陈小凡
2012, 61 (9): 092501. doi: 10.7498/aps.61.092501
摘要 +
给出了两种统计系综下相对论重离子碰撞中部分相干源的相干因子的表达式
Nd: YAG激光烧蚀裂解加工技术模拟分析与实验研究
于歌, 杨慎华, 王蒙, 寇淑清, 林宝君, 卢万春
2012, 61 (9): 092801. doi: 10.7498/aps.61.092801
摘要 +
激光裂解技术能够极大改善发动机缸体主轴承座的加工质量并显著提高加工效率. 为探寻Nd:YAG激光烧蚀球墨铸铁材料裂解槽的裂解性能, 本文基于有限元法成功构建了发动机缸体主轴承座激光裂解加工过程仿真模型, 针对QT500-7球墨铸铁主轴承座的裂解参数进行了仿真分析. 研究结果表明: 在影响裂解质量的三个裂解槽几何参数中, 槽深较张角及曲率半径对裂解载荷的影响效应更为明显; 裂解载荷随槽深的增加而迅速降低, 随槽张角和曲率半径的增加而升高; QT500-7球墨铸铁发动机缸体主轴承座激光裂解加工优化参数应为裂解槽深选为0.5 mm, 裂解槽张角选为60o, 裂解槽半径选为0.2 mm. 有限元模拟分析结果得到了单向拉伸实验结果的验证. 本工作通过ABAQUS仿真模拟及大量裂解载荷试验确立了裂解槽几何形状的优化参数, 为显著降低裂解载荷和优化裂解工艺提供了数值参考, 有利于实现发动机缸体加工的快速发展, 从而促进汽车工业实现绿色制造.
micro-bulk工艺micromegas的研究
樊瑞睿, 侯凤杰, 欧阳群, 范胜男, , 陈元柏, 伊福廷
2012, 61 (9): 092901. doi: 10.7498/aps.61.092901
摘要 +
本文介绍了micromegas探测器的主要工艺-micro-bulk工艺.并使用55Fe放射源对制作完成的micro-bulk工艺原理探测器 进行了测试,对比了与绝缘丝工艺原理探测器能量分辨率的差别,并进一步研究了micro-bulk工艺探测器电子透过率等性能测试 的结果.
原子和分子物理学
Ne同位素替代下Ne-HF碰撞截面的理论计算
王晓璐, , 令狐荣锋, 杨建会, 吕兵, 高涛, 杨向东
2012, 61 (9): 093101. doi: 10.7498/aps.61.093101
摘要 +
采用Huxley势函数拟合QCISD(T)/ aug-cc-pVTZ计算的相互作用势能面,通过精确度较高的密耦近似方法计算了E=100 meV时,氖原子的三种同位素 16Ne, 20Ne, 34Ne与HF分子碰撞系统的微分截面和分波截面.探讨了Ne的同位素替代引起的Ne-HF碰撞激发 截面的变化规律.
LiF分子在外电场中的物理性质研究
徐梅, 令狐荣锋, , 李应发, 杨向东, 王晓璐
2012, 61 (9): 093102. doi: 10.7498/aps.61.093102
摘要 +
本文采用量子力学从头算方法,运用密度泛函B3LYP方法在6-311基组水平上, 对不同外加电场(-0.150.15a.u.) 作用下LiF分子基态的稳定电子结构进行了计算,研究了外电场对LiF分子键长、能量、电荷分布、能级分布、能隙及红外光谱的影响规律.结果表明,随着Z方向外电场的增加,分子键长、偶极矩和能隙递增,原子电荷也递增,总能量降低, 频率及其红外强度递减, LiF基态分子势能曲线降低,离解能减小.
VOxH2O (x= 15)团簇的结构及稳定性研究
金蓉, 谌晓洪
2012, 61 (9): 093103. doi: 10.7498/aps.61.093103
摘要 +
用密度泛函理论(DFT),在B3LYP/DZP水平上对H2O分子与VOx形成的团簇VOxH2O (x= 15)进行结构优化、能量和频率的计算,研究了团簇的稳定结构、稳定性和频率特性.结果表明VOxH2O (x= 15) 团簇的基态构型的电子态均为2A, 对称性均属C1对称点群,其中x= 1, 4, 5时基态构型中水分子已被解离.水分子倾向于吸附在团簇VOx上, 形成VOxH2O (x= 15)团簇. VOxH2O (x= 15)团簇中, VOxH2O (x= 1,4,5) 的化学活性小于VOxH2O (x= 2, 3)的化学活性.此外, H2O体系与VOx之间的结合强弱顺序为 VO4H2O VO5H2O VOH2O VO3H2O VO2H2O. VOH2O中离解出H原子的能量为2.88 eV和从VO5H2O中离解出OH基团的能量为2.38 eV, 均在可见光能量范围内,这两个化学过程有可能在可见光催化条件下进行.可以通过团簇的红外和拉曼谱特征, 初步判断水分子在VOxH2O团簇中是否离解.
第一性原理研究bct-C4碳材料的强度性质
李青坤, , 孙毅, 周玉, 曾凡林
2012, 61 (9): 093104. doi: 10.7498/aps.61.093104
摘要 +
本文采用第一性原理方法,分析了bct-C4碳材料的力学性质,尤其是抗压强度性质,并在研究中分析了在压缩过程中bct-C4碳的 键长随压缩应变的变化规律.计算结果表明, bct-C4碳材料不仅具有优秀的弹性性质和硬度性质,也具有优秀的强度特性, 其沿[100]晶向的抗压强度高于金刚石6.9%.本文的工作表明, bct-C4碳是一种高强度的碳同素异形体, 可以用于压缩包括金刚石在内的各种物质,并可用于研究物质在高压下的结构变化以及力、电学等性质. 同时,作为一范例,本文研究同样可以为寻找力学性质超越金刚石的物质提供参照.
BF自由基X1+和a3态光谱常数和分子常数研究
施德恒, 牛相宏, 孙金锋, 朱遵略
2012, 61 (9): 093105. doi: 10.7498/aps.61.093105
摘要 +
采用内收缩多参考组态相互作用方法和相关一致基aug-cc-pV6Z, 对BF自由基X1+和a3 态的势能曲线进行了研究. 计算是在0.0951.33 nm的核间距内进行的. 为获得更准确的结果, 计算中还考虑了Davidson修正、相对论修正及核价相关修正对势能曲线的影响. 相对论修正采用的方法是二阶DouglasKroll哈密顿近似, 修正计算是在cc-pV5Z基组水平上进行的. 核价相关修正使用的是cc-pCV5Z基组. 利用得到的势能曲线, 拟合出了各种修正下BF自由基X1+和a3 态的光谱常数De, Re, e, exe, eye, Be和e、并与实验结果进行了比较. 结果表明: 考虑Davidson修正、相对论修正和核价相关修正后得到的光谱常数最接近实验结果. 利用修正后的势能曲线, 通过求解径向振转Schrdinger方程, 找到了转动量子数J = 0时这两个电子态的全部振动态, 并计算了每一电子态前20个振动态的振动能级、惯性转动常数和离心畸变常数, 其值与已有的实验结果较为一致. 本文得到的光谱常数和分子常数达到了很高的精度, 能为进一步的光谱实验提供可靠的参考.
相对论效应对类锂离子能级结构及辐射跃迁性质的影响
刘尚宗, 颉录有, 丁晓彬, 董晨钟
2012, 61 (9): 093106. doi: 10.7498/aps.61.093106
摘要 +
利用基于多组态Dirac-Hartree-Fock(MCDHF) 理论方法的相对论原子结构计算程序包GRASP2K, 细致计算了中性锂原子、类锂Be+, C3+, O5+, Ne7+, Ar15+, Fe23+, Mo39+, W71+及U89+ 离子基组态及较低的激发组态1s2nl (n = 24, l =s,p,d,f) 的精细结构能级, 以及各能级间发生电偶极(E1) 自发辐射跃迁的能量、概率及振子强度. 同时, 在非相对论极限下, 计算了其相关原子参数. 通过对相对论及非相对论计算结果的比较, 系统研究了相对论效应对类锂等电子系列离子能级结构及E1跃迁性质的影响, 揭示了随原子核电荷数Z变化时, 跃迁能、振子强度强烈依赖于量子数n, l, j变化的规律; 同时, 目前的计算结果与其他已有的理论计算及实验测量结果进行了比较.
Cl2+离子R支跃迁光谱的理论研究
李会东, 孙卫国, , 樊群超, 冯灏
2012, 61 (9): 093301. doi: 10.7498/aps.61.093301
摘要 +
从双原子分子能级的物理表达式出发进行多次微分,建立了预测双原子分子体系R支高振转跃迁谱线的新解析公式. 使用新解析公式预测双原子体系R支高阶跃迁谱线的数据时,最多只需15条精确的实验跃迁谱线和该跃迁带中对应的上下 振动态的转动光谱常数Bv 和 Bv.将该解析公式用于预测Cl2+ 离子 A2uX2g跃迁系(3,7)带和(4,8)带的跃迁谱线,不仅精确的重复了实验给出的较低阶的跃迁光谱数据值, 而且正确预言了所研究体系中缺失的振转跃迁谱线,尤其是高阶的跃迁谱线数据.
两束重合脉冲控制下的振转态布居转移
牛英煜, 王荣, 修俊玲
2012, 61 (9): 093302. doi: 10.7498/aps.61.093302
摘要 +
利用两束频率比为1:3的重合脉冲控制分子振转态布居转移. 计算结果表明, 初始态|0,0到目标态|3,1的跃迁概率接近100%. 两束脉冲的相位可以控制跃迁概率. 当 1 =1.68 时, 两束脉冲相互增强, 跃迁概率增加. 当 1 =0.64 时, 两束脉冲相互抵消, 跃迁概率降低. 第二束脉冲的场强对布居转移过程具有较大影响.
氦原子非次序双电离对正交双色场强度比的依赖关系
童爱红, 冯国强, 邓永菊
2012, 61 (9): 093303. doi: 10.7498/aps.61.093303
摘要 +
利用经典系综模型研究了正交双色场中氦原子非次序双电离对双色场强度比的依赖关系.研究表明, 该依赖关系与双色场相对相位有关. =0.25 时,沿长波长激光偏振方向的相关动量谱随强度比的增大从相关模式转变为反相关模式. =0.35, 0.45 时,相关动量主要分布在第一和第三象限,相关模式几乎不随强度比的变化而变化.对双电离轨迹碰撞时间、碰撞角、碰撞动量的向后分析可以解释上述结果,并显示了正交双色场对非次序双电离中碰撞时间、碰撞角的控制作用.
超冷温度下钾和铯原子间弹性散射特性的精确计算
张计才, 朱遵略, 孙金锋,
2012, 61 (9): 093401. doi: 10.7498/aps.61.093401
摘要 +
本文分别用量子方法和半经典方法计算了超冷钾和铯原子之间弹性碰撞的s波散射长度,有效力程和p波散射长度等散射参数. 超冷温度下39K-133Cs原子间的弹性散射截面主要为s波贡献,随着碰撞能量的增加散射截面有丰富的形状共振出现, 计算发现单重态和三重态截面分别存在显著的g波和d波形状共振.另外,本文应用简并内态近似方法获得了41K-133Cs 超精细态相互作用时的s波散射长度.
共面双对称几何条件下电子碰撞Na原子单电离的三重微分截面
孙世艳, 贾祥富, 苗向阳, 李霞, 马晓艳
2012, 61 (9): 093402. doi: 10.7498/aps.61.093402
摘要 +
应用参数化的最佳有效势方法, 推广三体库仑波模型(3C)及动力学屏蔽的三体库仑波模型(DS3C模型)于Na原子, 计算了共面双对称几何条件下, 电子碰撞Na原子单电离的三重微分截面(TDCS), 与最近Murray的测量数据、Hitawala等人的扭曲波近似(DWBA)及考虑极化 的扭曲波近似(DWBAP)的理论结果进行了比较. 发现, DWBA在低入射能量反映了实验结果, 而3C计算在低入射能量时失效, DS3C计算对其有所改善. 入射能量较高时DS3C及3C结果的角度分布优于DWBA, 能够较好地定性描述上述碰撞过程. 说明对于共面双对称几何条件下的电子碰撞多电子原子单电离过程, 出射道三粒子间的动力学关联效应是比较强的.
稀土元素掺杂对VH2解氢性能的影响
李荣, 罗小玲, 梁国明, 付文升
2012, 61 (9): 093601. doi: 10.7498/aps.61.093601
摘要 +
采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理的平面波超软赝势方法,研究了La, Ce和Pr掺杂对VH2的电子结构和解氢性能的影响.计算结果显示La, Ce和Pr掺杂VH2后晶体模型的费米能级Ef处 电子浓度N (Ef)的增加,表明体系结构稳定性减弱,解氢能力增强; 电子密度计算也显示V-H之间相互作用减弱,解氢能力增强;同时Mulliken布居数计算结果还显示掺杂以后 解氢能力增强与V-d轨道Mulliken布居数减少, V-s轨道Mulliken布居数增加有关.
分子动力学模拟Cu(010)基体对负载Co-Cu双金属团簇熔化过程的影响
张英杰, 肖绪洋, 李永强, 颜云辉
2012, 61 (9): 093602. doi: 10.7498/aps.61.093602
摘要 +
纳米团簇负载到基体上的结构演化和热稳定性是其走向技术应用的关键. 本文用分子动力学结合嵌入原子方法模拟了具有二十面体初始结构的Co281Cu280 混合双金属团簇在Cu(010)基体上的熔化过程, 考察了基体的Cu原子可以自由移动(自由基体)和固定(固定基体)两种条件对负载团簇熔化的影响. 发现基体条件对团簇的熔化有明显的影响. 在自由基体上团簇原子的温度-能量曲线存在明显的团簇熔化时的能量突变点, 熔点为1320 K, 低于固定基体上团簇的熔点1630 K. 在升温过程中团簇的二十面体结构会在基体表面发生外延生长. 外延团簇随着温度增加发生表面预熔, 预熔原子会逐渐向基体表面扩散形成薄层, 直至完全熔化. 自由基体上团簇原子的嵌入行为会使原子的分布状态产生不同于固定基体上的演变.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
L波段高阶模抑制型磁绝缘线振荡器研究
秦奋, 王冬, 陈代兵, 文杰
2012, 61 (9): 094101. doi: 10.7498/aps.61.094101
摘要 +
根据磁绝缘线振荡器(magnetically insulated transmission line oscillator, MILO)中基模(TM00模)与临近高阶模(HEM11模)高频场分布的区别,采用破坏各腔之间HEM11模模谐振条件的方式抑制器件中高阶模产生的方法,提出了高阶模抑制型MILO. 运用三维全电磁粒子模拟软件对高阶模抑制型L波段MILO器件进行模拟研究, 数值模拟结果表面该方法能够抑制器件中HEM11模的产生.在此基础上对器件进行了对比性实验研究, 实验结果表明高阶模抑制型器件能够抑制HEM11模的产生,稳定工作在基模.
介质加载的矩形截面Cerenkov脉塞中带状电子注与慢波结构互作用的研究
陈晔, , 赵鼎, 王勇
2012, 61 (9): 094102. doi: 10.7498/aps.61.094102
摘要 +
本文建立了介质加载的矩形截面Cerenkov脉塞中带状电子注与慢波结构互作用的三维物理模型. 采用Borgnis函数法和场匹配法求解了多层介质中场的匹配问题, 获得了注波互作用结构的混合模热色散方程(含电子注)及其近似解. 通过数值计算, 分析了热态下介质层厚度、电子注电压、电流密度、电子注厚度及电子注与 介质层间隙距离等主要结构和电参数对注波互作用增长率的影响.
自成像局域空心光束产生的新方法及粒子俘获
程治明, 吴逢铁, 张前安, 郑维涛
2012, 61 (9): 094201. doi: 10.7498/aps.61.094201
摘要 +
本文提出了产生自成像局域空心光束(self-imaged bottle beams)的一种光学元件液体轴棱锥.从衍射理论结合几何光学对经过轴棱锥后的光场进行了分析, 得出注入液体折射率小于轴棱锥材料折射率时可产生自成像局域空心光束.并通过软件MathCAD模拟, 得到一个完整周期光束的变换过程和局域空心光束的演变过程.研究发现液体轴棱锥产生的自成像局域 空心光束具有周期及相干长度可调的特点.分析了如何利用自成像局域空心光束对粒子进行俘获, 讨论了用自成像局域空心光束进行多层面粒子俘获的优势.
制备多模聚硅氧烷光波导关键技术的改进
温昌礼, 季家镕, 窦文华, 冯向华, 徐蓉, 门涛, 刘长海
2012, 61 (9): 094202. doi: 10.7498/aps.61.094202
摘要 +
本文利用浇铸法,使用MN胶和OE6450两种聚硅氧烷制备光波导.通过改进制备光波导的多个关键技术, 解决了波导制备过程中的气泡问题、脱模问题、芯层不固化问题、芯层和覆盖层产生化学反应等难题,提出了 比较完备和科学的聚硅氧烷波导制备工艺流程,从而使得波导的制备成品率从原来低于40%提高到高于80%, 波导的最大长度从原来的21 cm增加到22.5 cm,波导的损耗(截断法测量结果)从最初的0.3dB/cm(850 nm)降低到了 0.21dB/cm(850nm).本文在波导制备技术方面具有重要的实际意义和价值.
人工异向介质调控电磁波极化特性的实验与仿真研究
陈龙天, 程用志, 聂彦, 龚荣洲
2012, 61 (9): 094203. doi: 10.7498/aps.61.094203
摘要 +
电磁波的极化特性在通信、导航和雷达等方面已逐渐得到应用.为了有效控制电磁波的极化状态, 本文设计了一种基于开口环结构的人工异向介质.该人工异向介质由开口环结构,电介质基底和金属背板组成, 可以将入射的线性极化波完整地转换为圆极化波,椭圆极化波以及和入射波极化方向垂直的线极化波. 本文通过实验和仿真验证了本文的设计,实验结果和仿真结果符合较好.
室温掺铒光纤放大器中实现参量控制无损耗光速减慢传输
邱巍, 马英驰, 吕品, 刘典, 徐晓娟, 张程华
2012, 61 (9): 094204. doi: 10.7498/aps.61.094204
摘要 +
本文对掺铒光纤放大器中的光速减慢传输系统进行深入研究,提出一种直接利用掺铒光纤放大器中抽运光 强度和掺铒光纤长度,通过优化控制参量来降低信号光强度损耗系数,从而可以实现无强度损耗光速减慢传输, 研究结果表明:当抽运光功率为3.5 mW时,信号光强度损耗系数近似为零;当抽运光关闭时,掺铒光纤长度为 0.1 m时,信号光强度损耗系数近似为零.
基于新型偏振稳定毫米波发生器的光载无线通信下行链路
刘观辉, 裴丽, 宁提纲, 高嵩, 李晶, 张义军
2012, 61 (9): 094205. doi: 10.7498/aps.61.094205
摘要 +
为了降低ROF系统成本,增加传输距离,提高系统性能, 提出了一种基于新型偏振稳定毫米波发生器的光载无线通信下行链路传输系统.与传统ROF系统相比, 该系统利用保偏光纤光栅选频产生的两个偏振稳定激光信号拍频产生毫米波, 易于实现并降低了功率噪声对系统的影响.仿真分析了该系统中环形激光器强度、谱线宽度、保偏光纤光栅反射谱特性对毫米波性能的影响;分析了系统中保偏光纤光栅的群时延、长度、色散,双波长激光信号脉冲包络宽度、啁啾系数对毫米波频率的影响.优化保偏光纤参数, 差频产生60 GHz的毫米波信号,并分析该毫米波信号在ROF下行链路的传输性能,结果表明该毫米波作为副载波调制到光波上从中心站传输80 km至基站后经天线发射至用户端,解调仍然得到很好的眼图, 充分证明了本方案的优越性能.
单口径相干合成系统激光光束的M2因子研究
李建龙, , 冯国英, 周寿桓, 李玮
2012, 61 (9): 094206. doi: 10.7498/aps.61.094206
摘要 +
单口径相干合成系统激光光束的光束质量是一个亟待解决的重要问题.基于二阶矩定义, 文中给出了单口径TEM00, TEM01及TEM10两两相干光束M2因子的解析表达式, 并比较分析了束腰宽度、传输距离、振幅之比,以及源场位置矢量对相干光束M2因子的影响, 得到了诸如源场位置参量d1100时,各相干光束M2因子恒定,反之, 其随位置参量d1的增大而增大等一些结论.最后,文章对两TEM00模相干光束M2因子的 部分理论进行了实验验证.
热核聚变实验堆中超导母线绝缘层的红外热波检测
陈大鹏, 曾智, , 张存林, 金学元, 张峥
2012, 61 (9): 094207. doi: 10.7498/aps.61.094207
摘要 +
本项研究的目的在于探索热核聚变实验堆中超导母线绝缘层的主动式红外热波检测方法.文中用装有热水的薄膜袋对预埋脱黏缺陷的试件表面进行接触热激励; 给出了在面热源作用下长圆柱内一维瞬态导热的近似理论模型;通过对理论模型的模拟和分析,发现对热波降温信号进行微分处理可有效提高缺陷和非缺陷信号对比度;与闪光灯激励的结果进行比较,显示接触热激励的检测深度优于闪光灯脉冲热激励.
全息液晶/聚合物透射光栅光学各向异性的研究
黄文彬, , 邓舒鹏, 刘永刚, 彭增辉, 姚丽双, 宣丽
2012, 61 (9): 094208. doi: 10.7498/aps.61.094208
摘要 +
基于聚合物支撑(polymer scaffolding)形貌的全息液晶/聚合物透射光栅, 系统研究了光栅的光学各向异性. 在这种形貌的光栅内, 液晶不是以液滴的形态存在于富液晶区, 据此建立了相应光栅的简化模型, 然后在各向异性耦合波理论框架下研究了光栅的衍射特性. 详尽的衍射效率实验值和计算值比较, 很好解释了液晶/聚合物光栅的光学各向异性, 也证实了液晶分子大致沿着光栅矢量排列.
基于偏振旋转光反馈下的外光注入VCSEL产生高性能毫米波
陈兴华, 林晓东, 吴正茂, 樊利, 曹体, 夏光琼,
2012, 61 (9): 094209. doi: 10.7498/aps.61.094209
摘要 +
本文提出一种基于偏振旋转光反馈下的外光注入垂直腔 表面发射激光器(VCSEL)产生高性能毫米波的方案, 并利用描述外部扰动下VCSEL动态特性的自旋反转模型(SFM), 对所产生的毫米波的特性进行了数值研究. 研究结果表明: 一个受到主VCSEL(M-VCSEL)光注入的副VCSEL(S-VCSEL)在一定条件下可以产生单周期(P1)振荡, 即在光波上调制了一个微波信号. 通过调节外光注入强度i以及S-VCSEL与M-VCSEL之间频率失谐, 可以获得频率在3060 GHz范围内连续可调的毫米波信号. 在外光注入VCSEL中引入偏振旋转光反馈, 通过选取合适的反馈强度f以及反馈延迟时间, 产生的毫米波信号的线宽可以得到明显窄化. 对于光注入S-VCSEL所产生的线宽为5.509 MHz的毫米波, 在引入偏振旋转光反馈后, 毫米波线宽可以降低到230.2 kHz. 本文的研究对高速光载无线(RoF)系统中优质毫米波信号的获取具有一定的参考意义.
用于射频超导量子干涉器的新型单CSRR磁通聚焦器和谐振器
王杨婧, 谢拥军, 雷振亚
2012, 61 (9): 094210. doi: 10.7498/aps.61.094210
摘要 +
文提出了一种新型磁通聚焦器和谐振器. 磁通聚焦器引入了单互补开环谐振器结构 (单CSRR); 谐振器则采用环绕着绕磁通聚焦器的发夹型3阶阶梯阻抗谐振器 (SIR). 采用ANSYS HFSSv.11高频结构仿真软件对提出的磁通聚焦器和谐振器进行了仿真, 并对单CSRR进行了理论分析. 仿真和理论分析表明: 单CSRR的引入, 提高了磁通聚焦器的聚磁效果, 改善了磁通聚焦器与RF SQUID垫圈的耦合(耦合系数ksc为引入单CSRR前的2倍), 并且有效面积增大到1.227 mm2.
激光熔覆铜锰合金选择性脱合金制备纳米多孔涂层的研究
董长胜, 谷雨, 钟敏霖, 马明星, 黄婷, 刘文今
2012, 61 (9): 094211. doi: 10.7498/aps.61.094211
摘要 +
本文通过激光加工结合电化学腐蚀脱合金法, 成功实现了纳米多孔涂层的制备. 采用激光熔覆首先在45钢表面制备了成形良好、稀释率低的铜锰合金熔覆层, 并通过快速重熔工艺实现了初始材料组织细化. 研究表明, 在不同的电解液下,铜锰合金的临界腐蚀电位出现了明显的偏移; 在不同的腐蚀电流下,铜锰合金腐蚀后的形貌迥异. 最终,通过选择性腐蚀成功实现了纳米多孔铜和纳米多孔锰涂层的制备, 并利用电位-pH图对脱合金的选择性腐蚀进行了详细的理论解释.
高相干度超连续谱产生的理论研究
李荧, 侯静, 王彦斌, 靳爱军, 姜宗福
2012, 61 (9): 094212. doi: 10.7498/aps.61.094212
摘要 +
超连续谱的相干性直接影响到很多光学测量器件的分辨率及准确性, 如何获得高相干度的超连续谱是当前非线性光学领域的研究热点之一. 本文首先分析超连续谱产生的机理, 认为调制不稳现象是降低超连续谱相干性的重要因素. 因此抑制调制不稳定性, 利用其他非线性效应(如自相位调制)是得到高相干性超连续谱的有效方法. 最后设计了一种全波段正常色散光子晶体光纤,仿真结果表明, 在脉宽400 fs无啁啾高斯脉冲抽运, 50 cm长该光子晶体光纤的条件下, 产生的超连续谱具有在相对功率大于-80 dB的全波段高度相干的特性.
基于相位调制和线性滤波的多信道多功能光学微分器
罗博文, 董建绩, 王晓, 黄德修, 张新亮
2012, 61 (9): 094213. doi: 10.7498/aps.61.094213
摘要 +
多功能微分器可以满足光计算和光信号处理中的多种需求, 增强灵活性. 本文从理论上推导了一种基于相位调制和线性滤波的多功能光学微分器. 并在实验中, 将传输谱线近似为线性的光纤延时干涉仪(DI)和相位调制器级联, 得到了输入信号的两种微分结果. 通过调节DI的驱动电压调节其传输谱的漂移, 当光载波位于DI的传输谱线的谷值, 则获得信号的光场微分, 当光载波位于DI传输谱的线性斜率处, 则得到输入信号的光强微分. 通过分析各种微分的平均误差, 发现DI的线性度越高, 平均误差越小. 同时基于DI传输谱线的梳状特性,证实了多信道信号的同时微分.
基于交叉偏振波产生的脉冲净化技术研究与应用
王建州, 黄延穗, 许毅, 李妍妍, 陆效明, 冷雨欣
2012, 61 (9): 094214. doi: 10.7498/aps.61.094214
摘要 +
本文利用交叉偏振波产生技术(XPW)对800 nm波段钛宝石飞秒激光器输出的激光脉冲进行时域净化, 提高脉冲时域对比度, 并测量验证了1011对比度的脉冲, 达到测量仪器的动态范围极限, 比初始脉冲时域对比度有三个量级的提高, XPW的效率为22%. 同时发现净化后脉冲光谱宽度也得到一定展宽, 进一步利用啁啾镜对和补偿片对净化后的脉冲进行色散补偿, 得到25 fs脉宽的脉冲. 利用该净化后的激光脉冲作为种子注入已有的太瓦级钛宝石啁啾脉冲放大系统中, 在输出脉冲能量250 mJ, 宽度50 fs, 对应峰值功率5 TW的情况下, 在主脉冲前100 ps以外的范围内测量验证了1011的脉冲对比度.
双折射光纤中拉曼效应对参量放大增益谱的影响
贾维国, 乔丽荣, 王旭颖, 杨军, 张俊萍, 门克内木乐
2012, 61 (9): 094215. doi: 10.7498/aps.61.094215
摘要 +
根据激光脉冲在光纤中传输时, 所满足的波动方程, 导出了拉曼效应和参量放大共同作用下, 在双折射光纤中所遵循的耦合模方程, 并引入平行拉曼增益的洛伦兹模型, 给出了输入抽运波偏振方向同双折射轴成45时, 拉曼效应和参量放大共同作用所导致的增益. 讨论并分析了拉曼效应在不同色散区对参量放大增益谱的影响. 结果表明, 在考虑拉曼效应后, 使得参量放大斯托克斯波与反斯托克斯波增益谱彼此不对称; 在反常色散区, 产生的增益以反斯托克斯波为主, 正常色散区则以斯托克斯波为主.
机械抖动棱镜式激光陀螺出射光强度特性
姚呈康, 曾晓东, 曹长庆
2012, 61 (9): 094216. doi: 10.7498/aps.61.094216
摘要 +
针对棱镜式激光陀螺在抖动状态下出射光强度被调制的现象, 系统地研究了机械抖动对棱镜式激光陀螺中光传输轨迹和光电探测器的影响机理. 在对现有棱镜式激光陀螺性能进行分析的基础上, 应用数值模拟和有限元分析方法, 将对称型全反射棱镜纳入四棱镜陀螺的结构设计方案, 并给出了由机械抖动引起的应力双折射和光电探测器位置偏移与出射光强度的一般关系. 结果表明, 机械抖动会使棱镜产生应力双折射, 使激光光路发生改变, 同时造成光电探测器与出射光束产生相对位移, 导致出射光强度幅值产生调制. 使用全对称型的陀螺结构, 选取具有合适折射率的对称型棱镜, 减小探测器与出射光斑中心的相对位移, 可以将出射光强度调制幅值相比原先减小52.63%以上, 显著地改善出射光强度被调制的现象. 此分析结果为提高激光陀螺的可靠性提供了重要参考.
固体激光器热透镜效应的调控
何广源, 郭靖, 焦中兴, 王彪
2012, 61 (9): 094217. doi: 10.7498/aps.61.094217
摘要 +
利用工作腔的热透镜模型, 分析了有激光发射下固体激光器的谐振腔配置对热透镜效应和稳定区的影响, 论述了通过改变谐振腔配置调控热效应的可行性.实验上, 使用一台Nd: YAG激光器对理论作了验证, 实现了对热透镜光焦度及稳定区分布的调控.
基于有源Fabry-Perot腔的激光脉冲延时自外差研究
白岩, 赵卫疆, 任德明, 曲彦臣, 刘闯, 袁晋鹤, 钱黎明, 陈振雷
2012, 61 (9): 094218. doi: 10.7498/aps.61.094218
摘要 +
对注入有源Fabry-Perot腔内的单纵模脉冲进行了延时理论分析, 计算了Fabry-Perot腔内增益, 并对脉冲输出进行了数值模拟, 结果表明当脉冲能量衰减到一定值时, 新增抽运粒子数提供的增益可以补偿腔内损耗, 延时脉冲的输出可以达到稳态. 然后利用激光二极管侧面抽运Nd: YAG激光器做为Fabry-Perot腔, 对外部入射的单纵模脉冲光进行了延时, 得到了延时时间2 ups、脉冲数量140个的实验结果. 最后利用有源Fabry-Perot腔对参考光进行延时, 声光移频器对信号光产生频移, 进行了外差实验, 实验结果与移频器的设置值相符, 误差在4%以内.
一类非线性相对转动系统的组合共振分岔与混沌
李海滨, 王博华, 张志强, 刘爽, 李延树
2012, 61 (9): 094501. doi: 10.7498/aps.61.094501
摘要 +
研究一类具有异宿轨道的非线性相对转动系统的分岔与混沌运动. 应用耗散系统的拉格朗日方程建立一类组合谐波激励作用下非线性相对转动系统的动力学方程. 利用多尺度法求解相对转动系统发生组合共振时满足的分岔响应方程并进行奇异性分析, 得到了系统稳态响应的转迁集. 根据相对转动系统异宿轨道参数方程, 求解了异宿轨道的Melnikov函数, 并给出了系统发生Smale马蹄变换意义下混沌的临界条件. 最后采用数值方法, 通过分岔图, 最大Lyapunov指数图, 相轨迹图和庞加莱截面图研究系统参数对混沌运动的影响.
两相流相空间多元图重心轨迹动力学特征
赵俊英, , 金宁德
2012, 61 (9): 094701. doi: 10.7498/aps.61.094701
摘要 +
本文提出了一种新的混沌时间序列高维相空间多元图重心轨迹动力学特征提取方法. 在确定了最佳嵌入维数和延迟时间后, 将相空间中高维矢量点映射到二维平面的雷达图上, 相应地将相空间中高维矢量点变换为对应的几何多边形. 通过提取几何多边形的重心位置得到重心轨迹动力学演化特性, 并利用重心轨迹矩特征量区分不同性质的混沌时间序列. 在此基础上, 处理分析了气液两相流电导传感器动态信号, 发现高维相空间多元图重心轨迹矩特征量不仅可以辨识泡状流、段塞流和混状流, 而且为流型动力学演化机理提供了新的分析途径.
气体、等离子体和放电物理
气体声弛豫过程中有效比热容与弛豫时间的分解对应关系
贾雅琼, , 王殊, 朱明, 张克声, 袁飞阁
2012, 61 (9): 095101. doi: 10.7498/aps.61.095101
摘要 +
声在多原子分子气体中传播所引起的弛豫过程是探索气体特性的重要方面. 本文通过研究气体声弛豫过程中振动自由度与平动自由度(V-T)以及振动自由度之间(V-V)的分子能量转移模型, 给出了有效比热容与弛豫时间的分解对应关系及其通用获得方法. 该分解模型与现有的声弛豫模型相比, 反映了分解后的V-T 和V-V弛豫过程中振动比热容与弛豫时间的对应关系, 并发现了较高能级是引起对应声弛豫过程的决定因素. 将基于该分解模型获得的气体声弛豫衰减谱经碰撞直径微调改进后, 比现有理论更接近实验数据, 其结果证明了该分解对应关系的正确性和合理性.
飞秒激光与固体靶相互作用中光辐射时间特性的实验研究
王光昶, 马春生, 张建炜, 白春燕, 刘玉红, 郑志坚
2012, 61 (9): 095201. doi: 10.7498/aps.61.095201
摘要 +
为了探索光辐射的时间特性, 在100 TW掺钛蓝宝石飞秒激光器上利用光学条纹相机, 分别在靶背表面法线方向测量了光辐射的时间积分和时间分辨成像光斑. 实验测量结果显示: 光辐射时间积分成像光斑呈长条状, 而辐射区域有发散角、有光强分布, 包含多种辐射成分; 光辐射的时间分辨成像光斑进一步证明, 渡越辐射(TR) 是信号强而快, 持续时间短, 为皮秒(ps) 量级, 是最先到达屏幕上, 并推算出相应的持续时间为85.5ps. 其他成分光辐射是信号弱而慢, 持续时间长, 为纳秒(ns) 量级, 是最后到达屏幕上. 光辐射的时间特性能为鉴别和判断TR信号提供了新的依据.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
形变碳纳米管选择通过性的分子动力学研究
徐葵, 王青松, 谭兵, 陈明璇, 缪灵, 江建军
2012, 61 (9): 096101. doi: 10.7498/aps.61.096101
摘要 +
本文采用分子动力学方法, 研究了基团修饰后形变碳纳米管的水分子通过性和离子选择性. 结果表明, 形变碳纳米管的短径与修饰基团的种类、修饰率及修饰位置有关. 不同粗细碳纳米管均存在临界短径, 小于临界短径的形变碳纳米管具有对氯离子和钠离子的选择性, 同时水分子通过速率与本征碳纳米管相比未明显变小. 分析系统平均力势表明, 离子选择性来源于不同短径碳纳米管管口的通过势垒. 对于实际制备中较宽孔径分布的碳纳米管, 可以通过基团修饰等方法调控其短径, 提高其离子选择性.
带有n+深阱的三阱CMOS工艺中寄生NPN双极效应及其对电荷共享的影响
刘必慰, 陈建军, 陈书明, 池雅庆
2012, 61 (9): 096102. doi: 10.7498/aps.61.096102
摘要 +
基于三维TCAD器件模拟, 研究了带有n+深阱的90 nm三阱CMOS器件在重离子辐照下产生的电荷共享效应. 研究结果表明在重离子辐照时, n+深阱会导致寄生的NPN双极型晶体管触发, 显著增强NMOS间的电荷共享, 其放大因子达到双阱工艺中寄生PNP晶体管放大因子的24倍. 进而分别研究了n阱接触和p阱接触对寄生NPN双极放大的影响, 结果表明增大p阱接触的面积和减小n阱接触的距离将抑制NPN晶体管的放大作用, 而增大n阱接触的面积将增强NPN的放大作用.
AD95陶瓷的层裂强度及冲击压缩损伤机理研究
孙占峰, 贺红亮, 李平, 李庆忠
2012, 61 (9): 096201. doi: 10.7498/aps.61.096201
摘要 +
采用激光位移干涉测试技术测量了AD95 陶瓷在一维应变冲击压缩下的自由面或样品/窗口界面粒子速度剖面, 确定了层裂强度及其与加载应力的变化关系, 在此基础上讨论了冲击压缩损伤程度与加载应力的关系. 研究结果表明: AD95陶瓷发生冲击压缩损伤的阈值应力约为3.7 GPa, 小于其雨贡纽弹性极限(HEL, 约5.47 GPa); 小于阈值应力不发生冲击压缩损伤, 层裂强度随加载应力的增加逐渐增大; 大于阈值应力冲击压缩损伤快速发展, 层裂强度迅速降低; 在HEL附近层裂强度降低到零, 丧失了抗拉能力, 表明材料发生了严重的冲击压缩损伤.
简谐振子免疫优化算法求解异构无线网络垂直切换判决问题
朱思峰, , 刘芳, 柴争义, 戚玉涛, 吴建设
2012, 61 (9): 096401. doi: 10.7498/aps.61.096401
摘要 +
本文设计了垂直切换判决方案问题的数学模型, 给出了一种基于简谐振子免疫优化算法的垂直切换判决方案, 并与文献方案进行了对比实验实验结果表明, 本文方案能够有效地平衡网络负载、增加终端电池的生存时间, 具有较好的应用价值.
Be原子在Be基底上的沉积过程研究
黄晓玉, , 程新路, 徐嘉靖, 吴卫东
2012, 61 (9): 096801. doi: 10.7498/aps.61.096801
摘要 +
利用分子动力学方法模拟了Be原子在Be基底上的沉积过程. 模拟了沉积粒子不同入射动能条件下, 沉积薄膜表面形态的差异. 在一定能量范围内, 增加粒子入射动能可以减小薄膜的表面粗糙度. 但是, 过高的入射动能, 不利于减小薄膜表面粗糙度. 通过沉积薄膜中原子配位数以及单个原子势能沿薄膜厚度的分布, 分析沉积原子入射动能对于薄膜及表面结构的影响. 沉积动能较大时, 薄膜的密度较大; 单个原子势能沿薄膜厚度分布较为连续; 同时薄膜中原子应力沿薄膜厚度分布较为连续. 最后, 分析了沉积粒子能量转化的过程、粒子初始动能对基底表面附近粒子局部动能增加的影响.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
Ta掺杂对ZnO光电材料性能影响的研究
宫丽, 冯现徉, 逯瑶, 张昌文, 王培吉
2012, 61 (9): 097101. doi: 10.7498/aps.61.097101
摘要 +
采用基于密度泛函理论第一性原理的方法, 研究了Ta掺杂ZnO的电子结构和光学性质. 计算结果表明: 掺入Ta原子后, 费米能级进入导带, 随着掺杂浓度的增加, 带隙逐渐变窄, 介电函数虚部、吸收系数、反射率和折射率均发生明显变化, 介电函数虚部和反射率均向高能方向移动, 吸收边发生红移, 从理论上指出了光学性质和电子结构的内在联系.
菱铁矿FeCO3高压相变与性质的第一性原理研究
明星, , 王小兰, 杜菲, 陈岗, 王春忠, 尹建武
2012, 61 (9): 097102. doi: 10.7498/aps.61.097102
摘要 +
采用平面波赝势方法对菱铁矿FeCO3高压下的晶体结构, 电子构型和电子结构进行了第一性原理计算研究. 研究过程中考虑了菱铁矿FeCO3真实的反铁磁(AFM)自旋有序态, 模拟静水压环境, 从零压逐步加压到500 GPa. 在4050 GPa压力范围内, FeCO3发生了从高自旋(HS)AFM态到低自旋(LS) 非磁性(NM)态的磁性相变, 伴随着晶胞体积坍塌10.5%. FeCO3在相变前后均是绝缘体, 但是相变后的LS-NM态的Fe2+ 离子的3d电子局域化程度更强, 能隙随着压力的进一步增大而逐步增大, 离化程度更高, 直到500 GPa没有发生金属绝缘体相变.
单轴应变Si导带色散关系解析模型
王冠宇, 宋建军, 张鹤鸣, 胡辉勇, 马建立, 王晓艳
2012, 61 (9): 097103. doi: 10.7498/aps.61.097103
摘要 +
本文基于kp 理论框架, 分析了单轴应力对导带能带结构的影响, 详细讨论了剪切应力作用下布里渊区边界X点处1和2 能带之间的耦合作用及其对导带能谷极小值的改变, 由此进一步给出了能谷极值点附近的色散关系. 最后通过不同能谷之间的坐标变换, 得到了任意单轴应力作用下每个能谷的色散关系. 本文的研究可以为单轴应变Si材料物理性质的理解以及对反型层能带结构、电学特性的相关研究提供一定的理论参考.
目标宽带电磁散射特性的自适应分析
杜红梅, 陈明生, 吴先良,
2012, 61 (9): 097201. doi: 10.7498/aps.61.097201
摘要 +
本文采用有理逼近中的误差分析方法, 对渐近波形估计的计算结果进行了误差分析, 从而提出了一种有效计算带宽的估计方法, 并构造了一种任意给定频段自适应扫频计算方法. 通过对不同几何形态的三维导体目标、色散介质目标的宽带电磁散射特性进行分析, 并将计算结果与解析解、矩量法逐点计算进行了比较, 验证了此算法的有效性.
Fe/Si薄膜中相干声学声子的光激发研究
张郑兵, 马小柏, 金钻明, 马国宏, 杨金波
2012, 61 (9): 097401. doi: 10.7498/aps.61.097401
摘要 +
本文通过抽运-探测技术, 利用飞秒激光脉冲激发并探测了Fe/Si薄膜中的高频相干声学声子. 通过经典的阻尼谐振函数, 对声学声子的动力学行为进行了拟合. 实验及拟合结果表明, 该声学声子的共振频率约为0.25 THz, 其退相时间约为12 ps, 且都与激发光的波长和能量密度无关. 声学声子的振幅随着激发光能量密度的增加而线性地增强. 临界参数12e-ph/T约为0.6, 表明相干声学声子的驱动力主要来源于电子热应力的贡献. 最后, 结合薄膜的厚度和质量密度, 可以得到室温下垂直于该Fe/Si薄膜表面(out of plane) 的弹性常数C约为283 GPa.
确定磁性体在绝热磁化过程中达到最高温度的方法
陈辉, 张国营, 杨丹, 高娇
2012, 61 (9): 097501. doi: 10.7498/aps.61.097501
摘要 +
在磁性体磁化过程中, 决定其能够达到的最高温度, 对磁热材料的优化选取是重要的. 本文以钆镓石榴石(Gd3Ga5O12)为例, 根据高磁场下趋近饱和定律的思想, 给出了低温、超强磁场下, Gd3Ga5O12晶体等效磁化率的定量形式. 在外磁场从040 T范围内, 计算了该晶体的磁熵变、声子熵变以及磁性体温度随外磁场的变化, 结果均与实验值符合较好. 利用声子熵变与饱和磁熵变曲线交点的唯一性, 给出了在磁性体磁化过程中, 确定其温度达到最大值的方法, 预言了Gd3Ga5O12晶体在绝热磁化过程中达到的最高温度为64.7K. 该方法还可以对所加外磁场大小进行预言或估计.
镍锰铁氧体纳米线阵列的制备与表征
顾建军, , 韩金荣, 成福伟, 赵国良, 刘力虎, 孙会元
2012, 61 (9): 097502. doi: 10.7498/aps.61.097502
摘要 +
采用真空负压灌注技术, 结合溶胶-凝胶法在多孔氧化铝模板的纳米孔洞中成功制备了平均直径为80 nm左右的Ni1- xMnxFe2O4(x=0, 0.25, 0.5, 0.75) 纳米线阵列. XRD结果显示所制备的纳米线阵列为立方尖晶石结构, SEM和TEM的结果表明纳米线是由大量不同晶体取向的亚微晶粒联接组成. 磁测量结果显示, 随着Mn掺杂浓度的增加, 饱和磁化强度先增加而后减小, 这种变化与离子在尖晶石结构中的替代、占位变化有关. 相比于块体材料的NiFe2O4, 由于非线性磁结构比例的增加, 导致了线体NiFe2O4的饱和磁化强度降低.
磁性量子元胞自动机拐角结构的理论模拟和实验
杨晓阔, 蔡理, 康强, 李政操, 陈祥叶, 赵晓辉
2012, 61 (9): 097503. doi: 10.7498/aps.61.097503
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磁性量子元胞自动机拐角结构是一种同时含有铁磁耦合和反铁磁耦合的电路. 理论模拟了外加时钟场作用下铸铁磁性材料拐角结构的信号传递. 采用微磁仿真给出了信号传递的磁化演化图, 结果证实了铸铁纳磁体能够实现含有两种冗长耦合结构的稳定转换. 实验制备了相应的拐角结构, 扫描电子显微图和磁力显微图结果显示了成功的电路图案和正确的两种耦合方式信号传递.
弛豫铁电体弥散相变的玻璃化特性研究
陈威, 曹万强
2012, 61 (9): 097701. doi: 10.7498/aps.61.097701
摘要 +
根据弛豫铁电材料在相变区域的介电弥散行为和玻璃化液体材料在过冷状态下黏度与温度的行为所共同满足的Vogel-Fulcher 函数关系, 分析了施主替代钛酸钡系列陶瓷的缺陷补偿原理, 通过引入玻璃化液体的构型熵概念, 研究了弛豫铁电材料中钛阳离子缺陷作用势的温度关系, 得到了如下结论: 施主掺杂含量的增加导致了无序度的增加, 钛离子缺陷浓度的增大和平均极性区域尺寸的减小; 在构型熵满足Vogel-Fulcher 函数关系的条件下, 温度越低, 钛离子缺陷作用的范围越大, 极化区域也越大. 缺陷作用的范围随温度的变化导致了弛豫铁电材料的弥散性. 温度下降到一定程度, 冻结效应发生, 介电弥散现象消失.
应变作用下量子顺电材料EuTiO3的磁电性质
周文亮, 夏坤, 许达, 仲崇贵, , 董正超, 方靖淮
2012, 61 (9): 097702. doi: 10.7498/aps.61.097702
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由于磁性和介电性质的强烈耦合, 量子顺电材料EuTiO3材料的研究近来倍受人们的关注. 本文通过运用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了量子顺电(PE) 材料EuTiO3的磁性和电子结构, 分析了应变对磁性和结构相变的作用, 从而探讨了该材料中可能的磁电耦合机理. 结果发现, 在无应变状态下, EuTiO3处于顺电立方-G型反铁磁性态, 而对于c轴方向的无论张应变还是压应变, 当应变增加到一定程度时, 由于Ti 3d空轨道与周围O 2p 电子的杂化平衡被打破, EuTiO3将相变到铁电( FE) 四方-铁磁结构, 显示了强烈的自旋-晶格耦合效应.
基于聚焦光声层析技术的甲状腺离体组织成像
曾志平, 谢文明, 张建英, 李莉, 陈树强, 李志芳, 李晖
2012, 61 (9): 097801. doi: 10.7498/aps.61.097801
摘要 +
对人体甲状腺内的病变组织进行定位和成像对于准确诊断和有效治疗甲状腺疾病是至关重要的. 本文评估了利用光声层析技术对离体甲状腺组织进行成像的可行性, 并利用基于30 MHz超声换能器的聚焦光声成像系统对甲状腺进行扫描成像. 实验中成像系统的横向分辨率和纵向分辨率分别达到了350 upm和74 upm. 分别对正常离体甲状腺组织和模拟病变甲状腺组织进行光声成像. 实验结果表明, 本成像系统能够有效区分和鉴别正常甲状腺组织和病变组织. 此项技术有望进一步提高甲状腺疾病诊断的准确率, 以便更为有效地指导疾病的治疗, 具有潜在的临床应用前景.
包覆燃料颗粒碳化硅层的Raman光谱研究
房超, 刘马林
2012, 61 (9): 097802. doi: 10.7498/aps.61.097802
摘要 +
本文研究了球床高温气冷堆燃料元件中包覆颗粒碳化硅层的Raman光谱. 通过分析不同制备条件下的碳化硅层断面的Raman光谱的峰位、半高全宽与强度, 明确了包覆颗粒中碳化硅层的晶相特征、密度变化和剩余应力等物性.通过分析不同密度碳化硅层一级Raman峰的同步、异步二维相关谱, 发现其LO模较TO模对于密度变化的响应更敏感. 这些结论为研究球床高温气冷堆燃料元件包覆颗粒中碳化硅层的结构及其物性有指导意义.
电子辐照金刚石的光致发光研究
王凯悦, , 李志宏, 高凯, 朱玉梅
2012, 61 (9): 097803. doi: 10.7498/aps.61.097803
摘要 +
本文利用488 nm及325 nm激光器比较了超纯、氮掺杂及硼掺杂三种金刚石经电子辐照所形成的光学中心. 结果表明, 金刚石中引入施主或受主原子后, 形成了新的光学中心, 如NV, DB1中心.
新型光存储材料Sr2SnO4: Tb3+, Li+ 的合成及其红外上转换光激励发光性能的研究
秦青松, 马新龙, 邵宇, 杨星瑜, 盛鸿飞, 杨靖忠, 尹瑶, 张加驰
2012, 61 (9): 097804. doi: 10.7498/aps.61.097804
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采用高温固相法获得了一种只具有 微弱余辉的新型电子俘获型光存储材料Sr2SnO4:Tb3 +, Li +. 发光性能研究结果表明: 该材料对980 nm的红外激光具有很好的上转换光激励信息读出响应, 同时292 nm紫外光为其最佳信息写入光源. 光存储性能研究结果表明: 该材料的浅陷阱较少, 因此其余辉发光很弱, 不到500 s; 另一方面, 该材料中存在大量的深蓄能陷阱. 因此, Sr2SnO4: Tb3 +, Li+是一种具有较好实际应用价值的新型电子俘获型光存储材料. 此外, 还讨论了Sr2SnO4: Tb3 +, Li+的光存储发光机理.
金纳米球壳对的局域表面等离激元共振特性分析
邹伟博, 周骏, 金理, 张昊鹏
2012, 61 (9): 097805. doi: 10.7498/aps.61.097805
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应用有限元方法, 研究金纳米球壳对的几何结构参数及物理参量对其表面等离激元共振的散射及消光光谱的影响, 并根据等离激元杂化理论进行了理论分析. 结果表明, 随着金壳厚度的增加, 金纳米球壳对的散射及消光共振峰先发生蓝移而后红移, 而随着金纳米球壳间隙的减小, 或者随着金纳米球壳的内核尺寸或内核介质折射率的增大, 散射及消光共振峰均发生红移; 随着金壳厚度或内核尺寸减小, 或者随着内核介质折射率增大, 金纳米球壳对的散射与消光共振强度减弱, 而随着金壳间隙的减小, 金纳米球壳对的散射共振强度先增强后减弱, 而消光共振强度逐渐增强, 数值模拟与理论分析一致.
前沿领域综述
TMR与GMR传感器1/f噪声的研究进展
吴少兵, 陈实, 李海, 杨晓非
2012, 61 (9): 097504. doi: 10.7498/aps.61.097504
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隧道结磁阻(TMR) 传感器及巨磁阻(GMR) 传感器的1/f噪声在低频段噪声功率密度较大, 是影响其低频下分辨率和灵敏度的主要噪声形式. 本文详细介绍了近年来TMR传感器及GMR传感器1/f噪声的特点、来源、理论模型、检测方法及降噪措施等方面的研究进展, 并就隧道结磁阻传感器1/f噪声的物理模型进行了详细解释. 通过纳米模拟软件Virtual NanoLab对不同MgO厚度的Fe/MgO/Fe型磁性隧道结(MTJ) 进行了隧穿概率和TMR变化率的模拟计算, 得到保守估计与乐观估计的TMR变化率, 分别为98.1%与10324.55%, 同时通过MTJ的噪声模型分析了MgO厚度对TMR传感器噪声的影响. 制备了磁屏蔽系数大于10000的磁屏蔽筒并搭建了磁阻传感器1/f噪声的测试平台, 通过测试验证了磁屏蔽系统对环境磁场具有较好的屏蔽效果, 为噪声检测提供了稳定的磁场空间. 最后分析了TMR与GMR中各种因素对传感器噪声的影响, 提出了影响MTJ传感器1/f噪声的因素及一些降噪措施.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
发光层厚度对联苯乙烯衍生物蓝色有机发光器件性能的影响
吴有智, 张文林, 倪蔚德, 张材荣, 张定军
2012, 61 (9): 098101. doi: 10.7498/aps.61.098101
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本文制备了联苯乙烯衍生物(4, 4'-bis(2, 2'-diphenylvinyl)-1, 1'-biphenyl, DPVBi)为发光层的蓝色有机电致发光器件. 器件性能随发光层厚度变化而变. 在DPVBi厚度为1050 nm范围内, 同样电流密度下器件亮度及效率随DPVBi厚度增加先增后减, 40 nm时最佳, 最高亮度达到15840 cd/m2, 最高外量子效率达到3.2%, 器件色坐标(Commission Internationale de l'Eclairage (CIE) co-ordinates) 为(0.15, 0.15). DPVBi厚度超过40 nm时器件发光光谱出现红移而致色度变差, 其原因可归于微腔效应所致. 同时, 通过实验结果分析表明DPVBi中激子扩散长度位于2030 nm范围.
基于阻抗模型解析的氧化锆固体电解质组织结构演变模型
胡永刚, 夏风, 肖建中, 雷超, 李向东
2012, 61 (9): 098102. doi: 10.7498/aps.61.098102
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晶界对多元多晶电解质材料电导率的影响, 已成为制约高温固体电解质材料发展的瓶颈. 传统的晶界观察方法难以将高温下材料的组织结构与电导性能相对应. 鉴于此, 本文研究了部分稳定氧化锆(PSZ) 固体电解质材料的变温交流阻抗特性, 并对交流阻抗谱进行了拟合分析, 发现等效拟合电路随温度的上升而发生变化. 通过对不同等效电路模型的物理解析, 得出PSZ电解质材料显微结构在高温下的演变模型. 经进一步分析, 演绎出一种'短程有序'的'晶界桥接'组织模型, 为改善PSZ电解质材料的晶界电导提供了参考.
大功率盘形激光焊飞溅特征分析
高向东, 龙观富, 汪润林, Katayama Seiji
2012, 61 (9): 098103. doi: 10.7498/aps.61.098103
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焊接过程的在线监控是保证激光焊接质量的关键, 为此, 首先要找到焊接过程传感特征量变化规律以及与焊缝质量间的关系. 飞溅是大功率盘型激光焊接过程中的一个重要现象, 其特征与焊接质量、焊接过程稳定性以及能量利用率等有着密切的联系. 以大功率盘形激光焊接304不锈钢为试验对象, 研究焊接过程中的飞溅特征. 在紫外波段和可见光波段应用高速摄像机摄取焊接过程中产生飞溅的瞬态特征, 通过计算机图像处理技术分析飞溅的数量、面积、行程和质心高度特征参量. 以焊件熔宽作为衡量焊接质量与焊接过程稳定性的因素, 对飞溅特征量进行线性和高次拟合, 研究飞溅特征参量的波动规律, 并与焊件熔宽的变化对比, 探索焊接过程的飞溅特征参量变化规律. 试验结果表明, 根据飞溅特征量变化规律能够对大功率盘形激光焊接304不锈钢板焊接质量做出动态评估, 为实现焊接质量的在线监控提供了试验依据.
基于MeshTV界面重构算法的二元合金自由枝晶生长元胞自动机模型
魏雷, 林鑫, 王猛, 黄卫东
2012, 61 (9): 098104. doi: 10.7498/aps.61.098104
摘要 +
本文基于MeshTV界面重构算法, 发展了二元合金凝固自由枝晶生长的元胞自动机 (cellular automaton, CA) 模型. 通过采用MeshTV界面重构算法, 在细化的界面元胞内重构出了固液界面的位置. 在此基础上, 发展了一种同时适合描述纯物质与合金凝固界面生长的动力学模型. 与非界面重构的CA模型相比, 本文所发展的模型可以在较大的网格尺寸下实现模型的收敛, 同时网格各向异性不明显, 且能够反映界面能各向异性参数 对自由枝晶生长的影响. 在 =0.02时, 通过与描述自由枝晶生长的LGK理论模型相比较, 发现计算的枝晶尖端速度与LGK理论模型的预测符合较好, 而计算的枝晶尖端半径比LGK理论预测值大于约20%.
表层氟化聚乙烯中的空间电荷
安振连, , 刘晨霞, 陈暄, 郑飞虎, 张冶文
2012, 61 (9): 098201. doi: 10.7498/aps.61.098201
摘要 +
本文试图简要地汇集近年来与近期我们所取得的关于表面氟化对聚乙烯(PE) 空间电荷行为影响的研究结果, 总结与探讨PE中的空间电荷积累与其氟化层特性和特征间的关联. 这些结果显示在氟化反应气中没有氧存在时一个非常薄的氟化层能产生有效的电荷抑制, 而当氧存在时为达到有效的电荷阻挡、需要一个具有高氟化度的非常厚的氟化层. 在影响空间电荷的诸电学因素中, 氟化层的电荷传导特性比其电荷俘获特性和介电常数或极性对阻止电荷注入材料内部更为重要, 尽管氟化层的高介电常数和被俘获的电荷会降低界面电场、因此减少电荷的电极注入. 氟化层的电荷传导特性密切关联于其自由体积, 反应混合气中存在的氧对减小自由体积、因此对电荷的抑制具有强的负面影响.
亚波长金属线阵中一维时间反演电磁波的聚焦机理研究
章志敏, , 王秉中, 葛广顶, 梁木生, 丁帅
2012, 61 (9): 098401. doi: 10.7498/aps.61.098401
摘要 +
基于周期金属线阵的等效电介质模型, 并使用传输线理论方法, 得到了金属线阵中时间反演电磁波的解析表达式. 接着, 在等效电介质模型的适用范围内, 讨论了金属线半径、金属线阵周期、金属线阵周期数对时间反演电磁波聚焦的影响. 从而在理论上证实, 这种结构可以实现远场时间反演电磁波聚焦, 同时, 也为时间反演技术提供了工程参考.
基于太赫兹量子级联激光器的无线信号传输的实现
谭智勇, 陈镇, 韩英军, 张戎, 黎华, 郭旭光, 曹俊诚
2012, 61 (9): 098701. doi: 10.7498/aps.61.098701
摘要 +
文章采用连续波激射的太赫兹量子级联激光器(THz QCL) 为发射端、光谱匹配的THz量子阱探测器(THz QWP) 为接收端, 搭建了基于THz波的无线传输演示系统. 测量并分析了该演示系统的传输带宽. 采用搭建的无线传输系统演示了基于4.13 THz电磁波的图片文件的无线传输过程, 得到了与源文件一致的结果, 验证了采用THz QCL和THz QWP进行THz信号无线传输的可行性.最后, 分析了演示系统的传输速率, 给出了提高系统传输速率的方法.

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在线热点事件的时空演变规律
龚凯, 唐明, 尚明生, 周涛
2012, 61 (9): 098901. doi: 10.7498/aps.61.098901
摘要 +
为了理解舆论的时空演变斑图并揭示其形成机理, 本文运用统计物理学方法, 通过对在线评论数据进行统计分析, 定量地研究了在线热点事件关注度(在线评论数) 的时空演变规律. 实证表明, 虽然事件关注度在不同地区的分布存在极大的异质性, 即遵循双段幂律分布; 但是不同地区内事件的关注程度在时间演变过程中却表现出明显的一致性, 其不同时间内的Zipf分布变化很小. 关联性分析显示地区关注度受到该地区经济的显著影响, 而不同地区关注度演变行为的一致性来源于地区之间的强关联性. 另一方面, 舆论引导将显著影响事件的关注度, 导致传播速度(单位时间内评论数的增量) 急剧增加. 通过计算不同地区传播速度的信息熵, 我们发现评论的地区分布在大部分时间内都具有一致性, 而舆论引导有助于保持这种一致性. 地区传播速度之间的关联性分析表明在整个事件中经济较发达地区的舆论变化更趋于一致, 暗示这些地区对于舆论引导的响应更快, 因此加强发达地区的舆论引导有利于控制舆论的整体传播.
基于复杂网络的时间序列双变量相关性波动研究
高湘昀, , 安海忠, 方伟
2012, 61 (9): 098902. doi: 10.7498/aps.61.098902
摘要 +
为了研究具有时间序列特征的双变量之间相关性的波动规律, 本文选取国际原油期货价格和中国大庆原油现货价格作为样本数据, 借鉴统计物理学的方法进行研究.运用粗粒化方法建立了相关性波动模态, 并利用复杂网络理论和分析方法对双变量相关性波动模态的统计、变化规律及其演化机理三个问题进行了分析.结果显示, 双变量相关性波动模态分布具有幂律性、群簇性和周期性, 相关性波动主要通过少数几种模态进行传递和演化.这些研究成果不仅可以作为双变量间相关性波动研究的方法, 也为不同变量间相关性波动一般规律的研究提供了思路.
地球物理学、天文学和天体物理学

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新型高精度绝对重力仪
胡华, 伍康, 申磊, 李刚, 王力军
2012, 61 (9): 099101. doi: 10.7498/aps.61.099101
摘要 +
精密测量地球表面的重力加速度(g, 常用值9.81 m/s2) 是探测地球重力场的重要途径, 已广泛应用于计量、测绘、地质、地震与资源勘探等领域. 随着我国2000国家重力基本网和中国地壳运动观测网络的建成, 对高精度绝对重力测量的需求日益增加. 为深入研究现有绝对重力测量技术可能存在的系统误差, 并满足国内多个领域对高精度绝对重力仪的迫切需求, 自主研制T-1型可搬运式高精度绝对重力仪样机, 采用经典的真空自由落体方案, 通过激光干涉测量和数据拟合方法获得重力加速度值. T-1型绝对重力仪主要包括以下几部分: 高真空度自由落体装置、小型化激光干涉测量装置、超低频垂直隔振系统、高速信号采集系统、仪器控制与数据处理系统. 绝对重力测量的长度基准为稳频He-Ne激光器, 时间基准为铷原子钟, 这两项现有基准的测量不确定度都优于1 10-9. 测试结果表明, T-1型绝对重力仪在12 h内重力测值的标准差可优于1 upGal (1 upGal = 10-8 m/s2), 测量结果的复现性优于3 upGal, 可实现微伽量级不确定度的精密重力测量, 有望在我国多个关键领域发挥重要应用.