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Vol. 62, No. 1 (2013)

2013年01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 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
一类非线性方程类孤波的近似解法
石兰芳, 林万涛, 林一骅, 莫嘉琪
2013, 62 (1): 010201. doi: 10.7498/aps.62.010201
摘要 +
采用了一个简单而有效的技巧, 研究了一类扰动发展方程. 首先引入求解一个相应典型方程的类孤波近似解, 然后利用泛函映射方法得到了原扰动发展方程的近似解, 指出了近似解级数的收敛性, 并用解析方法, 讨论了近似解的精度.
超导量子比特的耦合研究进展
赵娜, 刘建设, 李铁夫, 陈炜
2013, 62 (1): 010301. doi: 10.7498/aps.62.010301
摘要 +
超导量子比特以其在可控性、低损耗以及可扩展性等方面的优势被认为是最有希望实现量子计算机的固态方式之一. 量子比特之间的相干可控耦合是实现大规模的量子计算的必要条件. 本文介绍了超导量子比特耦合方式的研究进展, 包括利用电容或电感实现量子比特的局域耦合, 着重介绍一维传输线谐振腔作为量子总线实现多个量子比特的可控耦合的电路量子电动力学体系, 并对最新的三维腔与超导量子比特的耦合结构的研究进展进行了论述. 对各种耦合体系的哈密顿量进行了比较详细的分析, 并按照局域性和可控性对不同耦合机制进行了分类.
基于弱非线性实现量子信息签名
丁东, 闫凤利
2013, 62 (1): 010302. doi: 10.7498/aps.62.010302
摘要 +
基于弱非线性及对称量子密码体系提出了一个量子信息签名方案. 信息发送方可以发送消息给接收方并且能够判断信息是否被敌手修改或换掉.一旦验证签名成功, 依赖于一个忠实的公证人, 通信双方对信息的发送或接收都不能否认.
混沌伪随机序列的谱熵复杂性分析
孙克辉, 贺少波, 何毅, 尹林子
2013, 62 (1): 010501. doi: 10.7498/aps.62.010501
摘要 +
为了准确分析混沌伪随机序列的结构复杂性, 采用谱熵算法对Logistic映射、Gaussian映射和TD-ERCS系统产生的混沌伪随机序列复杂度进行了分析.谱熵算法具有参数少、 对序列长度 N (惟一参数)和伪随机进制数 K鲁棒性好的特点.采用窗口滑动法分析了混沌伪随机序列的复杂度演变特性, 计算了离散混沌系统不同初值和不同系统参数条件下的复杂度.研究表明, 谱熵算法能有效地分析混沌伪随机序列的结构复杂度;在这三个混沌系统中, TD-ERCS系统为广域高复杂度混沌系统, 复杂度性能最好;不同窗口和不同初值条件下的混沌系统复杂度在较小范围内波动.为混沌序列在信息安全中的应用提供了理论和实验依据.
多分界面下四维蔡氏电路的张弛簇发及其机制研究
张晓芳, 陈小可, 毕勤胜
2013, 62 (1): 010502. doi: 10.7498/aps.62.010502
摘要 +
在经典蔡氏电路的基础上, 引入反馈元件, 建立了包含多个分界面的四维广义蔡氏电路. 在适当的参数条件下, 状态变量之间会存在量级上的差距, 从而构成了包含两个时间尺度的快慢耦合系统. 分析了快子系统的平衡点及其性质, 进而利用微分包含理论, 探讨了不同的非光滑分界面上的奇异性. 给出了系统在两组参数条件下的不同周期簇发行为, 应用快慢分析法探讨了系统轨迹在经过多个分界面时的特殊簇发现象, 揭示了多吸引子共存时不同的簇发行为的形成机理以及非光滑分岔对簇发行为的影响.
1+1 维抛射沉积模型内部结构动力学行为的数值研究
寻之朋, 唐刚, 夏辉, 郝大鹏
2013, 62 (1): 010503. doi: 10.7498/aps.62.010503
摘要 +
采用Kinetic Monte Carlo方法对1+1维抛射沉积(BD) 模型内部结构的动力学行为进行了大量的数值模拟研究. 分别分析了空洞密度和内部界面的动力学行为. 研究表明, 空洞密度呈高斯型分布, 其平均值首先随生长时间快速增长, 然后达到一个与基底尺寸无关的饱和值.除表面宽度, 还引入了新的极值统计方法来分析该模型内部界面的动力学行为, 分析结果显示, 1+1维BD模型内部界面的演化满足标准的Family-Vicsek标度规律, 并且属Kardar-Parisi-Zhang方程所描述的普适类. 最后对表面宽度和极值统计两种理论方法的有限尺寸效应进行了比较.
开关变换器斜坡补偿动力学机理研究
杨平, 包伯成, 沙金, 许建平
2013, 62 (1): 010504. doi: 10.7498/aps.62.010504
摘要 +
在反馈控制电路中引入适当的斜坡补偿电流, 既可以有效拓宽电流控制开关DC-DC变换器稳定工作范围, 实现混沌镇定控制, 又可以使其工作模式从断续导电模式转移至连续导电模式, 实现工作模式转移. 以电流控制Buck-Boost变换器为例, 通过建立含斜坡补偿的具有两个电感电流边界的二维离散时间模型和相应的Jacobi矩阵, 深入研究了开关DC-DC变换器斜坡补偿的动力学机理. 通过分析稳定性失稳和边界碰撞分岔的条件, 讨论了斜坡补偿对开关DC-DC变换器稳定周期振荡和工作模式转移的影响, 分别给出了相应的稳定性分界线和模式转移分界线. 制作了实验电路, 由实验结果说明了斜坡补偿对开关DC-DC变换器混沌镇定控制和工作模式转移的物理意义, 并验证了理论分析的正确性.
心脏老化和收缩对螺旋波动力学的影响研究
刘海英, 杨翠云, 唐国宁
2013, 62 (1): 010505. doi: 10.7498/aps.62.010505
摘要 +
通过用Greenberg-Hasting元胞自动机模型的邻域半径和激发阈值的增大来模拟心脏老化, 用邻域半径交替变化代替心脏收缩与舒张, 数值模拟研究了心脏老化和有规律收缩对螺旋波动力学的影响. 结果表明: 心脏老化会导致螺旋波漫游和不能产生螺旋波, 既可以使螺旋波波长缩短和螺旋波周期维持不变, 也可以使螺旋波的波长变长和周期增大; 在心脏老化和有规律收缩共同作用下, 系统可出现不同形状的螺旋波斑图、螺旋波发生破碎和消失等现象, 给出了心力衰竭、心颤、死亡的发生概率, 这些结果与流行病相关调查结果基本符合.
菱形网格的行人疏散元胞自动机模型
永贵, 黄海军, 许岩
2013, 62 (1): 010506. doi: 10.7498/aps.62.010506
摘要 +
利用改进的层次域元胞自动机模型, 研究了正菱形网格空间中的行人疏散问题. 这类网格可以避免行人贴近房间墙壁或障碍物, 转移概率考虑了各种逃生受阻因素. 数值仿真显示, 出口处的行人分布与实验快照展示的行人分布基本相同, 疏散时间和出口宽度呈线性关系, 行人流率接近实验结果.
少节点基因调控网络的控制
叶纬明, 吕彬彬, 赵琛, 狄增如
2013, 62 (1): 010507. doi: 10.7498/aps.62.010507
摘要 +
近年来, 自组织振荡网络受到越来越多科学家的关注, 对生物体的生长、 发育起调控作用的基因调控网络即是其中的一种. 本文研究了少节点基因调控网络的控制问题. 运用多相位超前驱动方法对该种网络进行调控, 可以有效地提高对网络的控制效率. 通过数值模拟, 发现对于少节点基因调控网络, 当系统参数确定时, 网络的有效控制率可以达到95%以上(10节点网络); 当系统参数不确定时, 控制的效率也非常高.
随机扰动下时滞复杂动力网络的一致性
柯超, 王志明, 涂俐兰
2013, 62 (1): 010508. doi: 10.7498/aps.62.010508
摘要 +
研究了随机扰动下一般时滞复杂动力网络的一致性问题, 此复杂动力网络不仅具有随机扰动而且时变时滞同时出现在耦合项和节点系统中, 所以这样的网络更具有一般性. 基于随机Lyapunov 稳定性理论、线性反馈控制理论和线性矩阵不等式, 从理论上提出了此网络各个节点与孤立系统达到时滞无关和时滞相关一致性的充分条件.最后的数值模拟验证了理论结果的正确性和有效性.
一种内腔式He-Ne激光器频率稳定方法的实验研究
钱进, 刘忠有, 石春英, 刘秀英, 王建波, 殷聪, 蔡山
2013, 62 (1): 010601. doi: 10.7498/aps.62.010601
摘要 +
实现了用微型风扇冷却的方法替代常见的加热方式完成对He-Ne内腔激光器的频率稳定.研究了微型风扇驱动电压与转速的响应特性和内腔式He-Ne激光器的热膨胀特性.采用风冷方式对激光器的腔长进行调节和控制, 并通过双纵模功率平衡原理完成了激光频率的稳定.稳定后的激光器管壁平均温度低于50 ℃.与高精度碘稳定激光的拍频实验结果表明, 其频率在20 h内的波动范围小于1.4 MHz (=1 s), 4个月内激光频率的相对标准不确定度为 U = 4.710-9.
差分吸收光谱技术在工业污染源烟气排放监测中的应用
孙友文, 刘文清, 谢品华, 方武, 曾议, 司福祺, 李先欣, 詹锴
2013, 62 (1): 010701. doi: 10.7498/aps.62.010701
摘要 +
研究了差分吸收光谱技术在工业污染源烟气排放监测中的应用及实现. 借助于独立的采样和前处理系统去除烟尘和水汽对光谱拟合的影响. 为避免高浓度的SO2在常温下发生光解, 将经前处理后的烟气加热至150 ℃进行测量. 采用Voigt线型对SO2, NO, NO2在185–235 nm波段的吸收截面进行了展宽, 获得了高温气体的标准吸收截面, 并与归一化的光谱仪仪器函数进行卷积得到了光谱拟合所需的有效吸收截面. 将反演结果与非分散红外分析仪的测量结果进行了实时对比, 获得了较好的一致性, 验证了差分吸收光谱方法高准确度测量工业污染源烟气排放的可行性.
核物理学
密度依赖口袋常数下奇异物质的热力学自洽处理及其对混合星性质的影响
包特木尔巴根, 杨兴强, 喻孜
2013, 62 (1): 012101. doi: 10.7498/aps.62.012101
摘要 +
在MIT口袋模型的基础上采用密度依赖口袋常数, 给出了奇异夸克物质的热力学关系, 并用于描述奇异夸克物质及混合星内的夸克相, 研究了奇异星、混合星的性质. 结果表明, 密度依赖口袋常数下, 奇异夸克物质的压强公式中有一个附加项, 而能量密度中则没有, 从而保证了系统的热力学自洽性. 在新的热力学关系下, 奇异夸克物质的状态方程变软, 相应的奇异星的引力质量和对应的半径均变小;混合星的状态方程也变软, 其质量变小, 而对应的半径也变小. 说明经热力学自洽处理后该模型对中子星的状态方程及相应的质量-半径关系等都有显著的影响.
磁绝缘线振荡器阴极烧蚀与电压波形的关系研究
陈代兵, 张运俭, 张北镇, 王冬, 秦奋, 文杰, 金晓, 吴勇, 于爱民
2013, 62 (1): 012901. doi: 10.7498/aps.62.012901
摘要 +
通过粒子模拟和实验研究相结合的方法, 研究了磁绝缘线振荡器的阴极烧蚀与输入电压波形的关系, 找到了造成阴极烧蚀的根本原因, 给出了电子束回轰阴极的清晰图像, 并通过对低阻抗加速器平台输出电压波形的调整, 抑制了反向电压, 解决了器件的阴极烧蚀问题. 研究结果表明: 在正向电压作用下已经发射出来的电子束在超过一定幅度的反向电压作用下发生反向运动并回轰阴极, 产生反向电流并造成器件阴极的烧蚀, 因此注入电压下降沿之后的反向电压是引起磁绝缘线振荡器的阴极烧蚀的最根本因素.
原子和分子物理学
啁啾微波场中里德伯锂原子的相干激发与控制
蒋利娟, 张现周, 贾光瑞, 张永慧, 夏立华
2013, 62 (1): 013101. doi: 10.7498/aps.62.013101
摘要 +
运用含时多态展开方法和B-样条函数研究了微波场中里德伯锂原子高激发态的性质, 得到锂原子量子态n = 7075, l = 05的能量, 并分析了里德伯锂原子高激发态n = 7075, l = 05在微波场中的跃迁几率. 结果表明: 通过优化微波场参数可以实现量子系统从初始态到目标态的完全跃迁, 且在跃迁过程中, 每个l态都起至关重要的作用.
从头计算法计算Yb3+掺杂钽酸盐的晶体场参数和能级结构
高进云, 张庆礼, 孙敦陆, 刘文鹏, 杨华军, 王小飞, 殷绍唐
2013, 62 (1): 013102. doi: 10.7498/aps.62.013102
摘要 +
介绍了一种基于从头计算的DV-X方法和有效哈密顿量模型, 它可以计算晶体中掺杂离子的晶体场参数和旋轨耦合参数, 尤其适合计算低对称性的晶体. 对于低对称性的晶体, 参数的数目比能级的数目多, 因此通过实验能级拟合确定所有的参数不太准确, 而从头计算法可以准确地确定所有的晶体场参数和旋轨耦合参数. 首先用这种模型计算了Yb3+掺杂GdTaO4晶体中的晶体场参数和旋轨耦合参数, 然后给出了Yb3+在GdTaO4中的能级结构, 并分析了Yb3+: GdTaO4的发射谱形成一个连续的发射带. 这有利于激光的调谐和锁模激光输出, 预言了Yb3+: GdTaO4 有望成为新型全固态超短脉冲激光工作物质. 同样用这种模型分别计算了Yb3+掺杂YTaO4和 ScTaO4中的晶体场参数和旋轨耦合参数, 并给出了Yb3+在YTaO4 和ScTaO4中的能级结构, 得到了与Yb3+: GdTaO4晶体类似的结论.
He原子与N2分子相互作用势的理论研究
令狐荣锋, 徐梅, 吕兵, 宋晓书, 杨向东
2013, 62 (1): 013103. doi: 10.7498/aps.62.013103
摘要 +
用量子力学从头算方法深入研究了He原子与N2分子的相互作用势, 用不同的方法和基组计算了该体系的各项异性相互作用势的单点能数据, 得出了空间势能面的分布情况, 并选定CCSD(T)/6-311++G(3df, 2pd)方法和基组, 同时采用了Boys和Bernardi提出的Full Couterpoise方法, 消除了计算中的基组重叠误差, 得出了较为准确的He-N2体系相互作用势的解析表达式. 通过计算得到的微分截面与实验值符合较好, 同时得出了不同碰撞能量时He原子与N2分子碰撞的微分截面的规律.
外场下SnS分子结构及其特性
黄多辉, 王藩侯, 万明杰, 蒋刚
2013, 62 (1): 013104. doi: 10.7498/aps.62.013104
摘要 +
对S原子采用6-311++G**基组, Sn原子采用SDB-cc-pVTZ基组, 利用密度泛函(B3P86)方法对SnS分子进行了基态结构优化, 并研究了外场作用下SnS基态分子键长、能量、能级分布、电荷布居分布、谐振频率和红外谱强度的影响规律.然后利用含时密度泛函(TD-B3P86)方法研究了SnS分子在外场下的激发特性. 结果表明, 在所加的电场范围内(-0.04 a.u.– 0.04 a.u.), 随着正向电场的增大, 分子键长和红外谱强度均是先减小后增大;总能 E, SnS基态分子的最高已占据轨道能量 EH和谐振频率均是先增大后减小; 分子的最低未占空轨道能量 EL和能隙 Eg均随正向电场的增大而减小. 随着正向电场的增大, SnS分子由基态至前9个单重激发态跃迁的波长增大, 激发能则减小.
SiN自由基X2+, A2和B2+ 电子态的光谱常数研究
王杰敏, 冯恒强, 孙金锋, 施德恒, 李文涛, 朱遵略
2013, 62 (1): 013105. doi: 10.7498/aps.62.013105
摘要 +
采用内收缩多参考组态相互作用(MRCI)方法, 结合价态范围内的最大相关一致基aug-cc-pV6Z, 计算了SiN自由基X2+, A2 和B2+电子态的势能曲线. 采用Davidson修正来避免由于MRCI方法本身的大小一致性缺陷产生的误差. 为了提高计算精度, 进一步考虑了相对论修正和核价相关修正对势能曲线的影响. 本文的相对论修正是利用二阶Douglas-Kroll 哈密顿近似在cc-pV5Z基组水平进行的; 同时核价相关修正是在cc-pCV5Z基组水平进行的. 对这些势能曲线进行拟合, 得到各种水平下三个电子态的光谱常数(Te, Re, e, exe, e和Be), 并详细分析了Davidson修正、相对论修正和核价相关修正对光谱常数的影响. 与其他理论结果和实验数据进行比较, 可知本文的结果更精确、更完整.
铯Rydberg原子Stark态的避免交叉
王丽梅, 张好, 李昌勇, 赵建明, 贾锁堂
2013, 62 (1): 013201. doi: 10.7498/aps.62.013201
摘要 +
在磁光阱中利用双光子激发制备49S 铯Rydberg原子, 研究了超冷49S态原子在外加电场中的Stark效应和nS态原子与 (n-4)多重态之间的避免交叉现象. 利用态选择脉冲场电离方法测量并获得了避免交叉点附近的离子谱, 测量了避免交叉点附近离子谱的变化情况, 并观察到避免交叉点附近由相互作用导致的态转移现象.
超冷钠原子弹性散射特性的精确计算
张计才, 朱遵略, 孙金锋
2013, 62 (1): 013401. doi: 10.7498/aps.62.013401
摘要 +
基于精确的原子之间相互作用势, 系统研究了钠原子在超冷温度下的弹性散射特性, 精确计算了钠原子间碰撞时的s波散射长度、 有效力程、 p波散射长度以及束缚态数目等散射参数. 超冷温度下单重态和三重态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散射截面分别存在显著的f波和i波形状共振. 应用简并内态近似方法获得了超精细态相互作用时的s波散射长度, 所得结果与精确值比较符合.
激光驱动下腔与玻色-爱因斯坦凝聚中的量子相变
刘妮
2013, 62 (1): 013402. doi: 10.7498/aps.62.013402
摘要 +
Dicke模型中的量子相变在三十多年前已被预言, 该模型描述的是N个二能级原子与单模腔场集体耦合的系统. 在标准Dicke模型的基础上加入原子光的非线性相互作用和含时外场驱动, 使用含时幺正变换和Holstein-Primafoff变换方法从理论上推导出基态能量表达式. 并且给出了丰富的相图,而且这些性质最近已有文献从实验上验证. 本文主要呈现了非线性相互作用和外场驱动对量子相变的影响.
极化无关双向吸收超材料吸波体的仿真与实验验证
鲁磊, 屈绍波, 夏颂, 徐卓, 马华, 王甲富, 余斐
2013, 62 (1): 013701. doi: 10.7498/aps.62.013701
摘要 +
设计并制作出极化无关双向吸收超材料吸波体.仿真结果表明, 该吸波体对斜入射横电极化和横磁极化电磁波具有较好的吸收效果, 其强损耗主要来自介质基板的介电损耗.实验测试结果表明, 该吸波体在11.1 GHz对垂直入射电磁波实现双向强吸收, 吸收率分别为95.9%和90.8%. 该吸波体厚度较薄, 工作波长约为1/34. 该超材料吸波体具有吸收率高、 厚度薄、 设计简单、 易于加工等优点.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
用于色散补偿的反射型棱栅的色散分析
苏娟, 冯国英, 邹其徽, 刘忠华, 邱毅
2013, 62 (1): 014201. doi: 10.7498/aps.62.014201
摘要 +
利用角色散和材料色散得到了反射型棱栅的二阶、 三阶色散完整的解析表达式, 与光线追迹法的结果能很好地符合, 利于工程中棱栅的设计.系统分析了温度、棱栅结构参数对其色散的影响. 结果表明, 温度、棱镜材料折射率、插入量、棱栅间距对棱栅色散影响很小.而入射角、光栅常数、 棱镜顶角等对色散的影响很大, 可以调节上述参数来改变棱栅的色散, 从而补偿放大介质等材料色散.
融合结构先验信息的稳态扩散光学断层成像重建算法研究
邓勇, 张喧轩, 罗召洋, 许军, 杨孝全, 孟远征, 龚辉, 骆清铭
2013, 62 (1): 014202. doi: 10.7498/aps.62.014202
摘要 +
扩散光学断层成像作为一种无辐射损伤、低成本的光学在体成像技术, 有着良好的应用前景, 但具有空间分辨率低、难以定量的缺陷.为了提高扩散光学断层成像的分辨率, 实现光学参数分布的精确重建, 基于有限元方法, 提出了融合结构先验信息的稳态扩散光学断层成像重建算法.该算法以扩散近似作为成像模型, 通过软先验的Laplace正则化方法引入由MicroCT提供的空间结构信息.采用伴随法计算Jacobian矩阵, Levenberg-Marquardt方法用来进行迭代优化.仿真结果表明该算法不仅能获得精确的光学参数值分布, 而且显著地提高了迭代收敛的速度.
数字平均对红外单光子探测器中温度控制系统信噪改善比的影响
王进, 魏正军, 王赓, 郭莉, 王金东, 张智明, 郭健平, 郭邦红, 刘颂豪
2013, 62 (1): 014203. doi: 10.7498/aps.62.014203
摘要 +
针对用于量子保密通信中单光子探测器需要高精度温控系统的情况,分析了其温控系统中数字平均方案对系统信噪改善比的影响,给出了信噪改善比与平均次数、采样周期、总采样时间和白噪声带宽的函数关系.针对实际应用中总采样时间有限的情况,分别就平均次数、采样周期两个物理参量对系统信噪改善比的作用进行了计算,给出了总采样时间一定的情况下,信噪改善比的表达式,并定义了最佳的采样次数.
氧化石墨烯/壳聚糖复合薄膜材料的制备及其非线性光限幅效应的研究
陆晶晶, 冯苗, 詹红兵
2013, 62 (1): 014204. doi: 10.7498/aps.62.014204
摘要 +
石墨烯及其衍生物作为新型碳纳米结构, 由于其优异的光限幅性能而受到广泛关注, 但现有的工作多侧重于其在液相体系中光限幅效应及其起因研究. 本文以壳聚糖为成膜基质, 将氧化石墨烯(GO)与壳聚糖(CS)在液相中均匀共混后成膜, 对比研究GO溶液和GO-CS复合膜的光限幅效应及其起因. 结果表明在线性透过率相同的情况下, GO在固相基质中表现出比液相基质更强的光限幅效应和更弱的非线性散射. 这说明不同于碳纳米管简单的非线性散射, 在GO中可能存在多种非线性光学效应.
应用于精密振荡器的石英晶体温度特性研究
朱华兵, 吴正斌, 刘国强, 席奎, 李闪闪, 董洋洋
2013, 62 (1): 014205. doi: 10.7498/aps.62.014205
摘要 +
采用一种新型压电材料精确表征方法研究了不同环境温度条件下应用于振荡器的石英材料特性变化.测量了从室温至100 ℃ 不同稳定环境温度下AT切向石英晶体材料的电子阻抗共振特性,并采用基于模拟退火优化算法的压电材料精确表征方法对电子阻抗共振特性进行了准确的拟合, 计算出了AT切向石英晶体材料在不同温度下包含损耗特性的复数形式材料参数. 通过研究和分析温度变化对石英晶体材料参数及其损耗特性的影响, 为具有稳定温度特性的精密振荡器设计提供了理论和技术支持.
前近贴脉冲电压对三代微光像增强器halo效应的影响
任玲, 石峰, 郭晖, 崔东旭, 史继芳, 钱芸生, 王洪刚, 常本康
2013, 62 (1): 014206. doi: 10.7498/aps.62.014206
摘要 +
为了探讨三代微光像增强器的合适工作电压, 研究了前近贴脉冲电压对微光像增强器halo效应的影响. 将脉冲电压信号加在光电阴极上,分别改变脉冲信号的高低电平电压幅值和占空比, 利用高分辨率CCD采集了微光像增强器的halo图像, 对比分析了halo图像中心线上各像素点对应的灰度值分布和光子计数. 研究结果表明, 随着高电平电压幅值和占空比的提高, 灰度值为255的像素点数目变多, halo图像中背景和信号的边界越来越清晰. 当前近贴电压增加到200 V以上和占空比大于60%左右时, 其对三代微光像增强器halo图像中心线上各像素点的灰度值分布影响不大. 当低电平电压增加到2 V以上时, 光电子在低电平阶段无法克服阻滞场到达微通道板. 此研究有利于探讨微光像增强器的最佳工作电压和光电子从阴极面出射时的能量分布, 为提高三代微光像增强器的性能提供了实验支撑.
基于混合大气传输模型的单脉冲高功率微波大气击穿理论与实验研究
周东方, 余道杰, 杨建宏, 侯德亭, 夏蔚, 胡涛, 林竞羽, 饶育萍, 魏进进, 张德伟, 王利萍
2013, 62 (1): 014207. doi: 10.7498/aps.62.014207
摘要 +
综合考虑高功率微波强电场作用下的热致快速电子效应、碰撞频率、 电离频率等充分体现高功率微波特性的参量模型, 基于高功率微波混合大气传输模型, 提出了单脉冲高功率微波混合大气统一非线性击穿模型, 定义了单脉冲高功率微波击穿阈值. 理论研究结果表明: 考虑中性气体分子极化作用以及电子的碰撞热效应后, 大气击穿时对应的等离子体频率明显变大; 大气击穿阈值随高度的增加先逐渐减小然后增大, 在30–60 km区域存在一个极小值. 开展了X波段窄带高功率微波单脉冲大气击穿实验研究, 得到了典型条件下的高功率微波击穿现象、波形和阈值, 且与理论结果一致性较好.
光子增减叠加相干态在热环境中的退相干
张浩亮, 贾芳, 徐学翔, 郭琴, 陶向阳, 胡利云
2013, 62 (1): 014208. doi: 10.7498/aps.62.014208
摘要 +
研究了由光子增减叠加操作作用于相干态而得量子态的非经典性及其在热环境中的退相干问题. 通过解析导出了Mandel's Q参数, 光子数分布, Wigner函数等讨论其非经典性. 研究表明一阶光子增减相干叠加相干态在相空间总是取负值, 只要满足条件|2z* +-*|21. 基于 Wigner函数的演化积分公式, 解析地推导出了在热环境中Wigner函数的简洁表达式. 研究首次表明: 如果满足t(1/2)ln[(2N+2)/(2N+1)] 得以满足, 一阶光子增减相干叠加相干态在相空间最小值点处Wigner函数分布总存在负部. 此外, 根据 Wigner函数负部体积讨论了其非经典特性.
裂缝-孔隙型双重介质油藏渗吸机理的分形分析
蔡建超, 郭士礼, 游利军, 胡祥云
2013, 62 (1): 014701. doi: 10.7498/aps.62.014701
摘要 +
低渗透油藏常常伴随裂缝发育, 形成裂缝-基质双重介质.自发渗吸是低渗裂缝性水驱油藏的重要采油机理, 有顺向和逆向两种渗吸方式. 基于基质孔隙结构的分形特征, 引入分形几何对裂缝性双重介质渗吸机理的判据进行了改进, 建立了渗吸机理的分形判据模型, 并进一步推导了结构常数的解析表达式.结果表明, 渗吸机理的判别参数是基质孔隙度、高度、孔隙分形维数、流动迂曲度、最大孔隙直径、界面张力、油水密度差以及接触角的函数. 改进后的判据模型与现有结果一致. 最后绘制了判别渗吸机理的图版, 为利用表面活性剂提高低渗透油藏采收率提供理论依据.
混合溶剂对P3HT:PCBM基太阳能电池的影响
杨少鹏, 李娜, 李光, 史江波, 李晓苇, 傅广生
2013, 62 (1): 014702. doi: 10.7498/aps.62.014702
摘要 +
以poly(3-hexylthiophene)(P3HT)为电子给体材料, [6, 6]-phenyl-C60-butyric acid methyl ester (PCBM)为电子受体材料, 制备了纯氯苯(CB)溶剂、纯氯仿(CF)溶剂和氯苯/氯仿(CB/CF)不同比例混合溶剂的共混体系太阳能电池. 研究了不同溶剂及不同比例混合的混合溶剂对电池性能的影响. 结果表明:以CB/CF(3/1)为溶剂制备的器件, 紫外可见吸收光谱和器件外量子效率曲线显示出红移现象, 原子力显微图表明P3HT和PCBM间形成良好的相分离结构. 在100 mW/cm2强度光照射下, 其开路电压Voc为0.61 V, 短路电流密度Jsc为9 mA/cm2, 填充因子 FF为57.9%, 能量转换效率PCE为3.2%.
不同沙粒底面下气泡脉动特性实验研究
张阿漫, 肖巍, 王诗平, 程潇欧
2013, 62 (1): 014703. doi: 10.7498/aps.62.014703
摘要 +
通过高速摄影系统对电火花气泡与不同沙粒底面间的相互作用进行了实验研究, 并改变气泡与沙粒底面之间的距离.实验结果表明:气泡在与沙粒底面的相互作用中会产生两种明显不同的现象, 即形成与近刚性壁面类似的气泡射流以及蘑菇状 气泡, 蘑菇状 气泡撕裂形成两个气泡, 随后产生两个反方向的沿轴线方向的射流.沙粒底面边界具有刚性与弹性两种特征.另外, 随着气泡与沙粒底面之间的距离 d 的增大, 气泡脉动周期先增大然后减小, 存在气泡脉动周期峰值. 对于不同的沙粒底面边界, 出现气泡脉动周期峰值的距离 d 随着沙底粒径的增大而越小.
气体、等离子体和放电物理
弱电离大气等离子体电子能量分布函数的理论研究
周前红, 董志伟
2013, 62 (1): 015201. doi: 10.7498/aps.62.015201
摘要 +
使用球谐展开的方法求解玻尔兹曼方程, 得到了弱电离大气等离子体(79%氮气和21%的氧气)的电子能量分布函数(EEDF). 发现当约化电场较小时(E/N 100 Td), EEDF在23 eV急剧下降, 在此情况下, 高能尾部比麦氏分布要小; 当约化电场增加, E/N 400 Td, 分布函数趋近于麦氏分布;当约化电场进一步增加, E/N 2000 Td, EEDF的高能尾部(超过200 eV)相对于麦氏分布增加.在高频场作用下, EEDF更倾向于麦氏分布.当 vm时, 有效电子温度只依赖于E/ , 而与碰撞频率无关; 当 vm 时, 有效电子温度只依赖于E/N, 与微波频率无关.与一些单原子分子等离子体中电子-电子碰撞在电离度大于10-6时就会影响EEDF不同, 空气等离子体中, 只有当电离度大于0.1%时, 电子-电子碰撞才会对EEDF有明显影响.
圆筒电极对离子磁电加热的影响
马志斌, 沈武林, 吴俊, 严垒, 汪建华
2013, 62 (1): 015202. doi: 10.7498/aps.62.015202
摘要 +
高效的磁电加热不仅能够提高电子回旋共振(ECR)等离子体的离子温度, 还能改善离子的径向和轴向分布, 促进ECR等离子体在化学气相沉积金刚石膜刻蚀中的应用. 将磁电加热系统中的圆环电极改进为圆筒电极, 研究了圆筒电极对离子磁电加热的影响, 对比了圆筒和圆环电极加热离子的区别. 结果表明: 在同一阳极偏压下, 圆筒比圆环电极更有利于提高离子温度, 圆筒电极加热时各径向位置的离子温度升高的幅度较大, 其中圆筒电极内部的离子温度径向分布差异较大, 而圆筒下游的离子温度径向分布比较均匀; 磁电加热对离子密度的影响很小; 采用圆筒电极加热时, 有利于离子向轴向下游的输运, 改善了离子的轴向均匀性.
HL-2A装置上超声分子束注入触发L-H转换的实验研究
冯北滨, 姚良骅, 陈程远, 季小全, 钟武律, 石中兵, 余德良, 崔正英, 宋显明, 段旭如
2013, 62 (1): 015203. doi: 10.7498/aps.62.015203
摘要 +
利用具有定向速度的超声分子束注入技术, 研究了HL-2A装置在较低加热功率条件下实现L-H转换的等离子体放电特征, 从边缘密度分布的差异比较分析了普通送气和超声分子束注入对L-H转换的影响. 实验结果表明, HL-2A装置上采用超声分子束注入可直接触发L-H转换, 明显降低L-H转换功率. 通过对大量实验数据的分析和整理发现, 利用超声分子束注入实现L-H 转换的最低加热功率, 比同等条件下采用普通送气实现L-H转换的最低加热功率减少约10%.
新型针孔点背光发光模型与实验研究
晏骥, 韦敏习, 蒲昱东, 刘慎业, 詹夏雨, 林稚伟, 郑建华, 江少恩
2013, 62 (1): 015204. doi: 10.7498/aps.62.015204
摘要 +
纳秒级强激光(~1014 W/cm2)与固体靶相互作用可以获得高亮度的Multi-keV能段 X射线. 在当前的高能量密度物理研究中利用这样的X射线背光源照相方式可以获得高质量的物理图像, 具有重要的应用价值. 以模拟计算与神光II激光装置实验结果相结合的方式研究了激光等离子体发光模型. 在该模型的基础上改进了针孔点背光成像技术, 独立发展了针对低Z靶材料K线的准单能背向针孔点背光和针对中Z靶材料L带的高亮度侧向针孔点背光.在神光II激光装置上通过新型针孔点背光对惯性约束聚变靶丸样品成像获得了高质量的静态靶丸流线图像, 空间分辨优于10 μm. 实验结果表明新型的针孔点背光具备高亮度, 高空间分辨, 高图像衬度等优点可以广泛应用于高能量密度物理和惯性约束聚变的研究中.
基于舰船尾流激光雷达的Monte Carlo模型及方差消减方法研究
梁善勇, 王江安, 张峰, 吴荣华, 宗思光, 王雨虹, 王乐东
2013, 62 (1): 015205. doi: 10.7498/aps.62.015205
摘要 +
对舰船尾流激光散射机理及探测过程的数值模拟是研究舰船尾流激光探测与制导的重要基础. 首先分析了Monte Carlo方法引入到尾流激光雷达数值模拟领域研究的可行性. 结合自行研制的尾流激光雷达实际参数, 建立了尾流激光探测的Monte Carlo数值仿真模型. 通过对仿真结果进行统计, 深入剖析了仿真结果方差大及光子利用率低等问题的成因. 为解决该问题, 基于有偏采样理论和分裂-轮盘赌基本原理提出了接收光学视场内光子强行碰撞方法和以光子自由程总长度为准则的光子分裂方法, 并进行了两方法的融合. 仿真与实验结果的对比分析表明, 提出的模型仿真结果与实验数据符合较好, 验证了模型的正确性; 提出的接收光学视场内光子强行碰撞方法和光子分裂方法能有效减小方差并提高光子利用率; 解决了Monte Carlo方法引入到尾流激光雷达模拟过程中的适用性问题.
Ta及Nanbu库仑碰撞模型数值对比研究
王辉辉, 杨超, 刘大刚, 蒙林, 刘腊群, 夏蒙重
2013, 62 (1): 015206. doi: 10.7498/aps.62.015206
摘要 +
深入研究库仑碰撞, 对两种库仑碰撞模型Ta模型与Nanbu模型在理论上进行了对比分析, 详细阐述了两种模型中散射角大小的区别. 在已有的采用Ta模型的全三维粒子模拟/蒙特长罗 (PIC/MCC) 算法基础上, 采用Nanbu模型对电子间库仑碰撞计算模块重新进行了算法设计. 分别应用Ta模型、Nanbu模型和无库仑碰撞的全三维PIC/MCC算法对国外热门负氢离子源JAEA 10 A中的电子能量沉积进行了模拟分析. 模拟结果与实验结果的对比分析发现: 1) 库仑碰撞使电子能量分布更接近于麦克斯韦分布; 2) 相对于传统的Ta模型, Nanbu模型的散射角考虑了多体碰撞的累加效果从而具有更高的期望值, 按其模拟得到的电子温度具有更高的精度. 这些为国内外学者设计相关算法指明了方向.
气体电离的全三维电磁粒子模拟/蒙特卡罗数值研究
王辉辉, 刘大刚, 蒙林, 刘腊群, 杨超, 彭凯, 夏蒙重
2013, 62 (1): 015207. doi: 10.7498/aps.62.015207
摘要 +
深入研究电子束对中性气体电离的物理机理, 在粒子模拟(PIC)软件CHIPIC的基础上, 设计了蒙特卡罗(MCC)电离碰撞模块, 并对电子与离子同时进行了跟踪, 成功研制了全三维电磁PIC/MCC代码. 通过该软件对填充氦气相对论返波管的模拟, 对全三维电磁PIC/MCC代码进行验证. 模拟结果显示: 填充气体可以中和空间电荷限制效应, 有效提高电流大小; 填充适量的气体可提高功率峰值, 扩展脉冲宽度; 过量的气体则会缩短脉冲宽度、降低峰值功率.
相位型波带板应用于大尺度X射线源成像的分析与模拟
陈晓虎, 王晓方, 张巍巍, 汪文慧
2013, 62 (1): 015208. doi: 10.7498/aps.62.015208
摘要 +
针对大尺度物体的keV-X射线高分辨成像, 分析了相位型菲涅耳波带板(FPZP)对物平面1 mm区域内点源的成像, 确定像的空间分布具有不变性, 提出了一种FPZP对扩展光源成像的计算方法. 使用这一方法, 模拟了放大倍数为10的典型实验条件下最外环宽0.35 μm的FPZP对扩展单色光源的成像. 结果表明, 随着扩展光源尺度的增加, 像的对比度降低. FPZP的负1级和0级衍射是导致像的背景增强和对比度降低的主要因素, 并相应导致成像对物方的空间分辨能力下降. 对于强度空间分布为正弦调制、对比度为1的1 mm尺度方形光源, 像的对比度低于0.4, 物方分辨能力为0.75 μm.
SiC过渡层对氟化类金刚石薄膜附着特性的影响
潘越, 赵强, 江舸, 周杨, 江美福, 杨亦赏
2013, 62 (1): 015209. doi: 10.7498/aps.62.015209
摘要 +
采用射频反应磁控溅射法在316L不锈钢基片上分别沉积了两种薄膜: 一种是氟化类金刚石薄膜(F-DLC), 另一种是先镀上一定厚度的SiC过渡层再沉积F-DLC. 着重研究了薄膜的附着力随过渡层制备条件的变化规律.结果显示, 增加SiC过渡层后薄膜的附着力明显增加, 且附着力随SiC过渡层的制备条件有所变化, 在射频输入功率为200 W, 沉积时间5 min制备出的SiC过渡层上再沉积F-DLC时, 附着力可达8.7 N, 远高于未加过渡层时F-DLC膜的附着力(4 N). 通过研究SiC的沉积速率曲线、表面形貌和红外光谱, 探讨了SiC过渡层及其制备条件影响薄膜附着力的相关机制.
三维柱腔内辐射输运的一维模拟
宋天明, 杨家敏
2013, 62 (1): 015210. doi: 10.7498/aps.62.015210
摘要 +
在惯性约束聚变实验中, 使用一维辐射流体力学程序模拟辐射在管壁约束的介质中的传输, 因为无法考虑管壁辐射漏失等二维或三维边缘效应而引入了较大的误差. 通过解析的视角因子公式和反照率定标公式来模拟X射线在管壁中的损失以及腔壁开口的漏失等边缘效应, 对一维辐射流体力学程序MULTI的辐射输运计算进行了修改, 成功模拟了X射线辐照下金等离子体的界面运动轨迹,比不考虑边缘漏失更接近实验测量结果, 证明了该方法的有效性.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
1 at% Ag替代Zr57Cu20Al10Ni8Ti5 金属玻璃中各组元对玻璃形成能力及热稳定性的作用分析
崔晓, 徐保臣, 王知鸷, 王丽芳, 张博, 祖方遒
2013, 62 (1): 016101. doi: 10.7498/aps.62.016101
摘要 +
以1 at% Ag元素分别等量替代Zr57Cu20Al10Ni8Ti5 金属玻璃的各个组元, 利用差示扫描量热升温分析获得不同试样的热力学参数, 并结合不同尺寸(Φ8, Φ10, Φ12)吸铸试样的X-射线衍射分析结果, 考察、验证元素替代后合金的实际玻璃形成能力及热稳定性的变化规律. 经比较发现, Ag替代Ti元素, 其玻璃形成能力显著提高(直径实际增大4 mm), 同时热稳定性也明显改善, 且临界冷却速率也明显降低, 而Ag替代其他组元却无明显规律.针对玻璃形成能力的相关数据比较分析表明, 本文结果未显示符合其Inoue的尺寸准则, 混合焓判据也未显示出明显符合的现象. 通过对堆垛密度的计算发现, 1 at% Ag替代Ti元素后使金属玻璃体系内部的堆垛密度增加. 通过动力学分析, 从晶化激活能、晶化反应速率常数两方面探讨了元素替代对玻璃形成能力和热稳定性的作用机理.
碳纳米锥力学特性的分子动力学研究
李明林, 林凡, 陈越
2013, 62 (1): 016102. doi: 10.7498/aps.62.016102
摘要 +
结合原子间短程作用势(Brenner势)和长程作用势(Lennard-Jones势), 利用分子动力学方法对各种锥角的碳纳米锥进行拉伸和压缩实验, 获得其载荷-应变关系曲线、受拉/压载荷极限、应变极限和构形演变等力学特性, 并与等量原子组成的碳纳米管进行比较研究. 研究结果表明, 等量碳原子组成的碳纳米锥的受拉/压载荷极限随着锥角的增大先是增大后减小, 受拉/压应变极限则随着锥角的增大而增大. 与碳纳米锥相比, 等量碳原子组成的碳纳米管的受拉/压载荷极限和应变极限显得既不突出也不逊色. 在受压构形演化方面, 与碳纳米管丰富的径向屈曲/扭转/侧向屈曲组合形变不同, 112.88°和83.62°锥角的碳纳米锥受压沿轴向完美内陷, 而60.0°和38.94°锥角的碳纳米锥受压发生侧向屈曲.
组合结构化合物Ho2Ni7-xFex (x=03.0)的晶体结构、结构转变和磁性
杨育奇, 高庆庆, 李冠男
2013, 62 (1): 016103. doi: 10.7498/aps.62.016103
摘要 +
在金属间化合物的结构演变中, 原子尺寸因素起着重要的作用. 由于密堆积效应, 不同原子半径比的元素往往形成不同的结构. 而自由电子填充于原子构成的晶体结构的间隙中, 它对化合物的结构也有影响. 基于组合结构化合物Ho2Ni7-xFex, 结合原子尺寸与自由电子对晶体结构的不同影响, 文章探讨一种单位体积内自由电子浓度的经验方法来判断Ho2Ni7-xFex 化合物中两种异构体间的转变. 随着Fe含量的增加, Ho2Ni7-xFex化合物先结晶成Gd2Co7型三方结构, 然后结晶成Ce2Ni7 型六方结构. 利用Rietveld精修技术和磁测量, 获得了化合物的晶体结构参数和饱和磁化强度. 化合物晶胞常数随Fe含量增加而增加, 饱和磁化强度则随之减少(d Ms/d x=-2). 分析结果表明, 单位体积内自由电子浓度更高, 化合物形成三方结构, 反之则形成六方结构.
不同 Ep/q 值的离子与氧化铝毛细孔的相互作用
席发元, 吕会议
2013, 62 (1): 016104. doi: 10.7498/aps.62.016104
摘要 +
绝缘材料毛细孔的离子导向效应研究在被动型离子光学元件开发方面有着重要的意义. 进行了150 keV O3+, 0.32 MeV O+, 2 MeV O2+等具有不同Ep/q值的离子与氧化铝毛细孔的相互作用研究.对于150 keV O3+入射离子, 离子沿毛细孔穿越的过程中存在着导向效应:随着毛细孔相对于入射离子束的偏转, 入射离子依然能够显著地穿过毛细孔, 而且保持电荷态不变; 出射离子的角分布谱发生与毛细孔偏转相同的偏移; 毛细孔不同偏转角度时的穿透率可以很好地被高斯函数拟合. 对于0.32 MeV O+, 2 MeV O2+离子入射氧化铝毛细孔, 没有导向效应发生.导向效应能够发生的入射离子的 Ep/q最大值小于320 kV.
聚丙烯酰胺凝胶法制备大孔-氧化铝及其发光性能研究
高晓林, 王仕发, 向霞, 刘春明, 祖小涛
2013, 62 (1): 016105. doi: 10.7498/aps.62.016105
摘要 +
采用聚丙烯酰胺凝胶法制备了大孔-氧化铝材料.利用X射线衍射仪、扫描电镜、荧光分光光度计表征了所制备的氧化铝样品.结果表明, 在1150 ℃ 烧结温度下可获得高纯的-氧化铝陶瓷材料, 其形貌呈类电路板型(monolithic)大孔结构.荧光光谱测试分析发现, 在228 nm波长的光激发下, 其荧光光谱在300400 nm范围内由两个主发射带组成, 其峰值分别位于330 nm和365 nm. 基于实验结果, 探讨了多孔氧化铝的形成机理和发光机制.
高温高压下Ag-Mg-Zn合金中金属间化合物的微观结构与热动力学性质的第一性原理计算
卢志文, 仲志国, 刘克涛, 宋海珍, 李根全
2013, 62 (1): 016106. doi: 10.7498/aps.62.016106
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究了Ag-Mg-Zn合金中金属间化合物AgMg, Mg4Zn8和Ag8Mg4Zn4在高温高压下的结构稳定性、 弹性性能和热动力学性质. 理论计算结果与实验值和其他的理论结果符合得非常好. 研究表明: 金属间化合物AgMg, Mg4Zn8和Ag8Mg4Zn4在零温零压下是力学稳定的; Mg4Zn8和Ag8Mg4Zn4为延性相, 而AgMg则为脆性相; 在这三种金属间化合物中, Ag8Mg4Zn4的塑性最好, AgMg的塑性最差. 利用准谐Debye模型, 讨论了高温高压下Ag-Mg-Zn合金中金属间化合物的摩尔振动内能Uvib,m, 摩尔Helmholtz振动自由能Avib,m, 摩尔振动熵Svib,m, 摩尔定容热容Cv,m, 摩尔定压热容Cp,m, 热膨胀系数, Grneisen参量和Debye温度.
钢纤维高强混凝土材料的气体炮试验研究
蒋国平, 浣石, 郝洪, 杜永峰, 焦楚杰
2013, 62 (1): 016201. doi: 10.7498/aps.62.016201
摘要 +
采用一级气炮设备对C100钢纤维混凝土进行了高应变率冲击压缩实验, 对一维应变状态下的混凝土冲击特性进行了分析. 试验中采用锰铜压力计测量得到了混凝土中不同拉格朗日位置处的压力波形, 利用拉格朗日分析得到了应力应变曲线, 冲击波峰值随传播距离而衰减, 在钢纤维混凝土中衰减较慢. 分析探讨了钢纤维对混凝土的增强作用.
考虑自热效应的互连线功耗优化模型
张岩, 董刚, 杨银堂, 王宁, 王凤娟, 刘晓贤
2013, 62 (1): 016601. doi: 10.7498/aps.62.016601
摘要 +
基于互连线的分布式功耗模型, 考虑自热效应的同时采用非均匀互连线结构, 提出了一种基于延时、带宽、面积、最小线宽和最小线间距约束的互连动态功耗优化模型. 分别在90 和65 nm 互补金属氧化物半导体工艺节点下验证了功耗优化模型的有效性, 在工艺约束下同时不牺牲延时、带宽和面积所提模型能够降低高达35%互连线功耗.该模型适用于片上网络构架中大型互连路由结构和时钟网络优化设计.
调制结构对c-VC/h-TiB2纳米多层膜的超硬效应的影响
李玉阁, 李冠群, 李戈扬
2013, 62 (1): 016801. doi: 10.7498/aps.62.016801
摘要 +
通过磁控溅射法制备了一系列不同调制结构的c-VC/h-TiB2纳米多层膜, 采用X射线衍射仪、高分辨透射电子显微镜和纳米力学探针表征了多层膜的微结构和力学性能, 研究了纳米多层膜调制结构与超硬效应的关系. 基于实验研究结果, 建立了立方结构VC和六方结构TiB2组成纳米多层膜时调制结构与硬度的关系图, 该图分为四个区域, 超硬效应产生于具有明锐界面和共格生长结构的区域中, 而在其他区域内调制结构的改变将导致多层膜微结构发生变化, 使得硬度相应降低. 这一关系图可为类似异结构纳米多层膜获得超硬效应的调制结构设计提供参考.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
模型二元有序合金固液界面结构的分子动力学研究
郑小青, 杨洋, 孙得彦
2013, 62 (1): 017101. doi: 10.7498/aps.62.017101
摘要 +
采用分子动力学方法, 研究了模型二元有序合金体系的平衡界面结构和界面处原子的扩散行为. 计算结果表明, 该二元有序合金的固液界面属于光滑界面. 由于固体中同时存在结构和化学有序, 从而导致界面处的原子结构与单质以及异质固液界面的结构明显不同. 在界面法向方向上, 粒子数密度呈复杂的波动行为, 并延伸到液体中约30 Å. 对界面层的二维结构分析表明, 固液转变层部分原子形成了二维固体团簇. 从固体到液体, 扩散系数从零逐渐增加到一个饱和值. 在界面处附近, 平行于界面方向的扩散系数明显比垂直于界面方向的大.
N, Co共掺杂锐钛矿相TiO2光催化剂的第一性原理研究
张学军, 张光富, 金辉霞, 朱良迪, 柳清菊
2013, 62 (1): 017102. doi: 10.7498/aps.62.017102
摘要 +
采用第一性原理平面波超软赝势方法研究了N, Co共掺杂锐钛矿相TiO2的微观结构和光学性质.结果表明: N, Co共掺杂后TiO2晶格中产生的偶极矩使光生电子-空穴对更有效地分离; 在TiO2导带和价带之间形成了新的杂质能级, 一方面使吸收带边红移到可见光区, 光吸收性能明显增强, 另一方面有利于光生电子-空穴对的分离, 提高TiO2的光量子效率; 与纯TiO2相比, N, Co共掺杂锐钛矿相TiO2带边的氧化还原势只有微小的变化, 共掺杂后TiO2的强氧化还原能力得以保持.
稀土元素(Ce, Pr)掺杂GaN的电子结构和光学性质的理论研究
李倩倩, 郝秋艳, 李英, 刘国栋
2013, 62 (1): 017103. doi: 10.7498/aps.62.017103
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法计算了稀土元素 Ce, Pr 掺杂GaN的晶格参数、能带、电子态密度和光学性质, 使用LSDA+U的方法处理具有强关联作用的稀土4f态, 并分析比较计算结果. 计算表明: 掺入 Ce和Pr后的体系相比未掺杂的GaN晶格常数增大, 带隙变窄, 并分别在禁带中和价带顶附近引入了局域的杂质能级, 该能级主要由Ce 和Pr的4f电子提供; 掺杂后都发生了磁有序化并产生磁矩; 最后定性分析了掺杂前后介电函数和光吸收系数的变化, 掺 Ce的体系在介电函数和吸收系数的低能区出现了峰值, 该峰的出现和禁带中的杂质能级到导带底的跃迁有关, 而掺Pr的体系由于带隙变窄使介电峰和吸收边发生红移.
串型耦合双量子点处于自旋阻塞区时磁输运性质的研究
邹承役, 吴绍全, 赵国平
2013, 62 (1): 017201. doi: 10.7498/aps.62.017201
摘要 +
使用双杂质安德森模型的哈密顿量, 从理论上研究了串型耦合双量子点系统处于自旋阻塞区时的磁输运性质, 并用主方程近似方法求解了哈密顿量. 结果表明, 自旋轨道耦合作用导致的双量子点间的自旋反转隧穿能够解除系统的自旋阻塞. 同时也研究了超精细相互作用导致的在量子点内自旋反转和双量子点之间的自旋关联对系统的磁输运性质的影响, 取得了一些有价值的结果, 并对相关的物理问题进行了讨论.

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二氧化钒薄膜低温制备及其太赫兹调制特性研究
孙丹丹, 陈智, 文岐业, 邱东鸿, 赖伟恩, 董凯, 赵碧辉, 张怀武
2013, 62 (1): 017202. doi: 10.7498/aps.62.017202
摘要 +
针对二氧化钒 (VO2) 薄膜在可调谐太赫兹功能器件中的应用, 利用低温磁控溅射技术, 在太赫兹和光学频段透明的BK7玻璃上制备出高质量的VO2 薄膜. 晶体结构和微观形貌分析显示薄膜为单相VO2单斜金红石结构, 具有明显的 (011) 晶面择优取向, 结构致密, 表面平整. 利用四探针技术和太赫兹时域光谱系统分析了薄膜的绝缘体-金属相变特性, 发现相变过程中薄膜电阻率变化达到4个数量级, 同时对太赫兹透射强度具有强烈的调制作用, 调制深度高达89%. 通过电学相变和太赫兹光学相变特性的对比研究, 证实薄膜的电阻率突变主要与逾渗通路的形成有关, 而太赫兹幅度的调制则来源于薄膜中载流子浓度的变化.该薄膜制备简单, 成膜质量高, 太赫兹调制性能优异, 可应用于太赫兹开关和调制器等集成式太赫兹功能器件.
量子点接触中有关电导0.7结构的研究
焦惠丛, 安兴涛, 刘建军
2013, 62 (1): 017301. doi: 10.7498/aps.62.017301
摘要 +
研究了由鞍形势描述的量子点接触中的电子输运性质, 利用Hartree-Fock近似与低维纳米器件中Thomas-Fermi近似方法处理了电子-电子之间的相互作用,采用格点格林函数方法计算了零温下体系的电导、电子的自旋积累以及散粒噪声,重现了0.7结构这个反常的实验现象. 计算结果加深了我们关于半导体纳米器件中的强关联互作用对自旋输运影响的理解.
六角氮化硼片能带结构的应变调控
谢剑锋, 曹觉先
2013, 62 (1): 017302. doi: 10.7498/aps.62.017302
摘要 +
采用第一性原理研究了应变对单层、双层和三层BN片能带结构的影响.研究表明, 随着张应变的增大, BN片的带隙线性变小, 且变化的斜率与层数以及多层BN片的堆垛方式无关.

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Terfenol-D/PZT磁电复合材料的磁电相位移动研究
施展, 陈来柱, 佟永帅, 郑智滨, 杨水源, 王翠萍, 刘兴军
2013, 62 (1): 017501. doi: 10.7498/aps.62.017501
摘要 +
采用粘合法制备了叠层结构的块体Terfenol-D/PZT磁电复合材料, 测量了不同频率下的磁电回线, 采用新的极坐标下的方式做图. 从极坐标下的磁电回线中可以看出, 随直流磁场的变化, 非谐振频率下的磁电相位发生了轻微移动, 移动幅度随频率的增加而增加;而在谐振频率下, 伴随着巨磁电效应, 磁电相位发生了显著移动, 移动幅度达到了近90°. 与粉末Terfenol-D/环氧树脂/PZT磁电复合材料对比之后表明, 非谐振频率下块体Terfenol-D/PZT的磁电相位移动主要由涡流引起; 而谐振频率下大幅度相位移动则主要来源于Terfenol-D的磁致弹性变化.
直接利用磁场和温度精确确定磁性材料La0.67Ca0.33MnO3和Pr0.7Sr0.3MnO3的电阻率
刘雅洁
2013, 62 (1): 017601. doi: 10.7498/aps.62.017601
摘要 +
电阻率是研究钙钛矿结构锰氧化物磁性材料的重要参数之一, 它与温度和外加磁场有密切关系. 本文的工作之一是寻找合适的方法, 确定在金属-绝缘体转换过程中, 不同磁场情况下, 材料La0.67Ca0.33MnO3和Pr0.7Sr0.3MnO3 的电阻率随温度变化的数学解析关系. 通过非线性数值拟合, 找到了满足这一关系的函数为双曲正切修正的高斯函数. 同时, 获得金属-绝缘体转换时居里温度TC满足的微分方程以及与该温度对应的最大电阻率ρmax. 本文的另一个工作是寻求最大电阻率ρmax和磁场之间的函数关系, 发现采用玻尔兹曼函数可以精确反映两者之间的数学联系. 两项工作得到的数学拟合结果与实验数据之间的最小相关系数为0.998, 最大平均相对误差4.35%, 说明数据拟合的结果与实验结果十分符合.
弛豫铁电体的键能与配位数模型
曹万强, 舒明飞
2013, 62 (1): 017701. doi: 10.7498/aps.62.017701
摘要 +
基于一定浓度的杂质会在钛酸钡型铁电体中导致键能与配位数的高斯型分布原理, 利用键能与配位数起伏模型导出了介电峰温与测量频率的关系. 当键能和配位数的相对起伏接近时, 其关系呈现出一般弛豫铁电体所普遍具有的Vogel-Fulcher函数形式, 且冻结温度仅与键能的相对起伏和激活能有关. 并由此解释了低掺杂浓度下杂质均匀分布导致弥散性的机理和超过临界浓度时的弛豫铁电性的机理. 同时提出, 杂质替代对畴的形成和生长所产生的强烈抑制作用及微畴化是实现键能起伏与配位数起伏一致的来源.
硅掺杂铝镓氮薄膜场发射性能研究
王京, 王如志, 赵维, 陈建, 王波, 严辉
2013, 62 (1): 017702. doi: 10.7498/aps.62.017702
摘要 +
利用脉冲激光沉积, 分别制备了一系列不同Si掺杂浓度的铝镓氮(AlGaN)薄膜. 对此薄膜进行场致电子发射测试表明, Si掺杂浓度为1%的AlGaN薄膜具有最好的场发射特性. 相对于非掺杂样品, 其场发射电流明显增加, 场发射开启电场显著降低. 掺杂带来载流子浓度的提升, 为场发射提供足够的电子源, 使样品的场发射性能提升. 但掺杂浓度的进一步提高, 薄膜缺陷增加, 电子迁移率降低, 其薄膜内部电子输运能力降低大于电子浓度的增加对场电子发射的贡献, 导致场发射性能开始变差.
一种芴衍生物的三光子吸收光稳幅效应及三光子吸收拟合方法研究
刘军辉, 李国凤, 王渊旭
2013, 62 (1): 017801. doi: 10.7498/aps.62.017801
摘要 +
由于忽略激光能量分布的不均匀性, 当前常用的非线性透过率方法得到的三光子吸收系数的拟合误差比较大. 现有材料的三光子吸收截面还比较小, 阻碍了人们对三光子吸收特性的应用. 本文提出了一种精确的三光子吸收拟合方法, 适合于各种能量分布不均匀的激光脉冲. 合成了一种具有三光子吸收特性的对称型芴类衍生物2, 7-二(4-甲氧基苯乙炔)-9-硫酮芴, 三光子吸收截面较大, 具有很好的激光脉冲光稳幅特性.
等离子体增强化学气相沉积法制备含氢类金刚石膜的紫外Raman光谱和X射线光电子能谱研究
杨发展, 沈丽如, 王世庆, 唐德礼, 金凡亚, 刘海峰
2013, 62 (1): 017802. doi: 10.7498/aps.62.017802
摘要 +
利用脉冲辉光放电的方法, 在硅片上采用不同的沉积工艺制备了含氢类金刚石膜层, 并采用Raman光谱和X射线光电子能谱(XPS)对膜层进行表征. 用Raman光谱仪在波长为325 nm的紫外光源的激励下观察膜层的键结构. 紫外Raman光谱对含氢类金刚石膜是非常有用的, 它能有效避免可见光Raman光谱测量时的荧光干扰, 清晰地得到膜层的D峰和G峰. 同时利用XPS分析得到膜层的 sp3键含量, 并与Raman光谱所得数据进行比较. 通过Raman光谱和XPS分析可以发现, 在紫外光源的激励下, 膜层的G峰峰位向高频移方向移动, G峰峰位、I(D)/I(G), G峰半高宽和sp3键含量之间存在一定的关系.
室温制备低电阻率高透过率H, W共掺杂ZnO薄膜
王延峰, 张晓丹, 黄茜, 刘阳, 魏长春, 赵颖
2013, 62 (1): 017803. doi: 10.7498/aps.62.017803
摘要 +
采用脉冲直流磁控溅射法, 以WO3:ZnO陶瓷靶为溅射靶材, 通过在溅射气氛中引入H2的方式, 在室温条件下制备了低电阻率、高可见和近红外光区透过率的H, W共掺杂ZnO (HWZO) 薄膜. 系统地研究了H2流量对所制备的HWZO薄膜的结构、组分、元素价态、光电特性的影响. 结果表明: 掺入的H可促进Zn的氧化, 改善薄膜的结晶质量, 提高薄膜透过率. H引入之后薄膜的载流子浓度增加, 电阻率降低. 在H2流量为6 mL/min时制备的HWZO薄膜性能最优, 电阻率为7.71×10-4 Ω·m, 光学带隙为3.58 eV, 400–1100 nm的平均透过率为82.4%.
Dy3+掺杂硼硅酸盐玻璃的发光特性
余阳, 刘自军, 陈乔乔, 戴能利, 李进延, 杨旅云
2013, 62 (1): 017804. doi: 10.7498/aps.62.017804
摘要 +
采用高温熔融法制备了Dy3+掺杂硼硅酸盐玻璃, 通过测试激发光谱和发射光谱, 研究了其光谱性质.研究了玻璃组分及Dy3+ 掺杂浓度对发射光谱及发光强度的影响, 并计算了色坐标, 均位于白光区域.通过改变玻璃组分及掺杂浓度, 调节黄、蓝发射峰的强度比, 在387 nm长紫外光激发下实现了单一基质上有效的白光发射.
无序光子晶体提高GaN基蓝光发光二极管光提取效率的研究
陈新莲, 孔凡敏, 李康, 高晖, 岳庆炀
2013, 62 (1): 017805. doi: 10.7498/aps.62.017805
摘要 +
亚波长尺度光子晶体结构可有效提升发光二极管(LED)的光提取效率(LEE), 然而在制造过程中会存在缺陷或无序. 利用时域有限差分法对理想方形光子晶体结构进行了优化, 在此基础上对三种无序光子晶体结构进行了仿真, 研究了光子晶体结构参数的无序变化对GaN基蓝光LED LEE的影响.结果表明, 光子晶体空气孔位置和半径的无序变化使优化的80 nm光子晶体LED的LEE下降, 而可使非优化的60 nm光子晶体LED的LEE增加;当光子晶体空气孔位置和半径的无序变化量从0到±20 nm之间变化时, LEE最大会产生53.8% 的浮动;光子晶体刻蚀深度的无序变化对LEE影响较小, 一般可以忽略. 研究结果为高性能蓝光光子晶体LED的设计制作提供了重要的理论参考.
物理学交叉学科及有关科学技术领域

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室温生长ZnO薄膜晶体管的紫外响应特性
吴萍, 张杰, 李喜峰, 陈凌翔, 汪雷, 吕建国
2013, 62 (1): 018101. doi: 10.7498/aps.62.018101
摘要 +
在室温下采用射频磁控溅射法制备了以ZnO薄膜为沟道层的薄膜晶体管(TFTs). 研究表明ZnO薄膜在紫外区具有较高的吸收率, 并且ZnO-TFTs对紫外光照射较为敏感. 因此, 进一步深入研究了ZnO-TFTs紫外光照下的输出和转移特性, 结果表明, 紫外光照将引起较为明显的光响应电流, 且经过光照的器件在光源移除7天后, ZnO沟道层中仍能观察到残余电导现象, 其原因可以归结为紫外光辐射在ZnO沟道层中引入了一定数量的氧空位施主态缺陷.
搅拌摩擦焊准稳态热力耦合过程数值模拟研究
殷鹏飞, 张蓉, 熊江涛, 李京龙
2013, 62 (1): 018102. doi: 10.7498/aps.62.018102
摘要 +
搅拌摩擦焊接过程中的材料塑性变形流场与温度场对焊接接头的组织演化及最终的力学性能有着十分重要的影响, 许多学者对此进行了大量的研究.近年来的研究结果表明, 该过程是一个极其复杂的热力耦合过程, 温度场与材料塑性变形流场之间具有相互耦合效应. 运用流体力学和传热学原理对准稳态热力耦合过程进行了数值模拟研究, 通过计算得到了焊件材料的流场和温度场分布, 并设计了相关实验对温度场进行了验证, 结果表明该计算结果可以较准确地描述搅拌摩擦焊准稳态热力耦合状态.
冲击诱发NiTi形状记忆合金相变行为研究
刘洪涛, 孙光爱, 王沿东, 陈波, 汪小琳
2013, 62 (1): 018103. doi: 10.7498/aps.62.018103
摘要 +
NiTi形状记忆合金的高应变动态响应特性在军事、航空等领域具有重要应用.为研究NiTi合金在动态力学诱导下的相变行为,在不同温区不同冲击速率下, 通过轻气炮装置对NiTi合金进行了动态加载实验.利用差示扫描量热仪(DSC),综合物性测量系统分析了冲击波残余效应对NiTi合金相变行为的影响.研究发现:受冲击的样品在第一次DSC热循环中观察到了三个马氏体吸热峰,表现为三步逆马氏体相变,而在第二次热循环中其中两个应力诱发马氏体吸热峰因变形恢复消失. 形成两个应力诱发马氏体吸热峰的原因可能是晶粒内部与晶界处的相变过程不同步. 受冲击后样品DSC放热峰上出现了一小肩峰,表明可能因中间相(R相)的出现而发生了两步相变,结合电阻测量曲线进一步确认R相的存在,且发现奥氏体相向R相转变以及R相向马氏体相转变这两种相变过程在某一温度范围内可同时进行.同时,文中也具体讨论了不同的冲击加载条件对相变过程的影响.
氧化法结合快速热处理制备VOx薄膜及其性质研究
高旺, 胡明, 后顺保, 吕志军, 武斌
2013, 62 (1): 018104. doi: 10.7498/aps.62.018104
摘要 +
采用磁控溅射法在单晶Si 基底上沉积金属钒(V)薄膜,在高纯氧环境下快速热处理制备具有相变特性的氧化钒(VOx)薄膜.利用X射线衍射仪、X射线光电子能谱和扫描电子显微镜对薄膜结晶结构、薄膜中V的价态与组分及表面微观形貌进行分析, 应用四探针测试方法和太赫兹时域频谱技术对样品的电学和光学特性进行测试. 结果表明:在一定范围的快速热处理保温温度和保温时间下, 都可以制备出具有热致相变特性的氧化钒薄膜, 相变前后薄膜的方块电阻变化超过两个数量级, 薄膜成分主要由V2O5和VO2混合组成, 薄膜中V整体价态不因热处理条件改变而不同.在快速热处理条件范围内, 500 ℃ 25 s左右条件下(中温区)制备出的氧化钒薄膜相变特性最佳,并且对THz波有一定的调制作用.
等轴晶在过热溶液落管中的下落熔化特性研究
周鹏, 王猛, 林鑫, 陈磊, 邱丰, 黄卫东
2013, 62 (1): 018105. doi: 10.7498/aps.62.018105
摘要 +
研究了NH4Cl等轴晶在过热NH4Cl-70 wt%H2O溶液落管内熔化中的形貌演化过程, 并分析了溶液过热度及等轴晶初始尺寸对其下落速度和熔化速率的影响规律和机理. 结果表明: 等轴晶在过热溶液中下落时, 若不发生旋转, 其形貌由准轴对称形貌演变成非轴对称准三角形貌;若发生旋转, 则有助于保持其准轴对称形貌. 通过分析不同条件下等轴晶下落时的阻力系数, 认为提高溶液过热度可获得更为光顺的等轴晶外形, 增大其下落速度. 等轴晶初始尺寸越大, 其形貌复杂性提升及下落速度增大, 会导致熔化速率加快. 在等轴晶下落熔化的过程中, 逐渐减小的下落速度减弱了界面前沿对流传质条件, 使得单个等轴晶的熔化速率基本保持恒定.
磷脂在膜结构间的交换:温度和离子强度的影响
蒋中英, 张国梁, 马晶, 朱涛
2013, 62 (1): 018701. doi: 10.7498/aps.62.018701
摘要 +
磷脂跨膜交换对生物膜功能与药学研究有重要意义. 石英电子微天平及耗散系数测量仪被用于研究囊泡与支撑膜间磷脂的交换行为. 研究表明: 首先, 在磷脂跨膜输运过程中, 热力学环境和离子强度对支撑膜表面吸附囊泡的形变程度影响较小, 囊泡与支撑膜的总接触面积直接取决于囊泡的吸附数量; 其次, 交换过程中膜结构间最大总接触面积随着温度的升高和离子强度的降低而增大, 温度和离子引起的囊泡吸附速率和跨膜交换速率的变化在其中发挥着关键调节作用. 本研究有助于加深对磷脂在生理条件下跨膜输运过程的理解, 并为基于脂质体的药物载运体系研究提供参考.
结点含时滞的具有零和非零时滞耦合的复杂网络混沌同步
梁义, 王兴元
2013, 62 (1): 018901. doi: 10.7498/aps.62.018901
摘要 +
时滞耦合的复杂网络同步已经有大量的研究成果, 而网络结点含时滞的无时滞耦合的复杂网络同步的研究工作较少. 为使网络模型更接近现实和适用更广的范围, 建立了网络结点含时滞, 而耦合兼零时滞(无时滞)和非零时滞(有时滞) 的复杂网络同步模型.在网络结点上分别设置线性控制器和自适应控制器, 研究了其混沌同步问题.利用李雅普诺夫稳定性定理, 设计相应的正定函数, 分别给出了复杂网络同步的充分条件.最后, 为证实同步方案的有效性, 选择时滞Logistic 函数为结点动力系统, 在兼无时滞和有时滞的网络上, 给出了线性反馈控制同步误差数值演化趋势.
地球物理学、天文学和天体物理学
陇中黄土高原自然植被下垫面陆面过程及其参数对降水波动的气候响应
张强, 李宏宇, 张立阳, 岳平, 史晋森
2013, 62 (1): 019201. doi: 10.7498/aps.62.019201
摘要 +
作为气候敏感区和生态脆弱区, 黄土高原地区的陆面物理过程受气候波动影响十分明显. 目前, 虽然对黄土高原特定气候条件下的陆面物理过程有了一定认识, 但对其随气候波动的动态变化规律认识却非常有限. 本文利用黄土高原陆面过程观测试验在陇中黄土高原榆中SACOL站5年多的观测资料, 系统分析了该地区自然植被下垫面陆面水分收支和能量平衡及地表反照率、 土壤热传导率和粗糙度长度等陆面过程参数对气候波动的响应规律, 发现陇中黄土高原自然植被下垫面的陆面过程特征及其参数对降水的气候波动十分敏感, 不仅对降水量波动响应显著, 而且与降水性质也密切相关.土壤湿度并不完全随年总降水量波动, 而是随有效降水量增加而增大; 陆面水分收支和土壤水分收支也随有效降水量波动变化明显;近地层垂直感热平流通量随年总降水量增加而减弱, 地表能量不平衡差额却随年总降水量增加而增大. 夏半年平均反照率随有效降水量增加而减小, 但全年平均地表反照率却受冬季积雪时数影响十分明显, 而且随积雪时数增加而增大;土壤热传导率和粗糙度长度均随年有效降水量增加而增加.并且, 降水量越小, 陆面过程参数对降水波动的响应就越敏感.不过, 陆面过程参数基本在荒漠气候平均值和农田气候平均值之间波动, 并没有突破气候约束, 能够用拟合关系来表示它们对降水因子波动的响应规律, 这种动态参数化关系可用来改善以往数值模拟或微气象分析时由于使用非动态陆面过程参数所带来的误差.
非等间隔计时数据的X射线脉冲星周期快速搜索算法
周庆勇, 姬剑锋, 任红飞
2013, 62 (1): 019701. doi: 10.7498/aps.62.019701
摘要 +
利用X射线脉冲星信号的计时信息实现航天器深空导航具有重要意义, 精确的时间模型(周期及周期导数) 是获得高精度自主导航的基础.针对X射线光子并非等间隔地到达探测器的特点, 在对比分析两种非等间隔数据处理方法(χ2量评估方法和Lomb算法)的基础上, 提出了用Lomb算法估计脉冲星周期初值, 进一步使用χ2量评估方法精化周期值的方法.同时运用快速傅里叶变换算法的思想对Lomb算法进行改进, 较大地提高了程序的运算效率.最后利用X射线源仿真系统的计时数据对算法进行试验分析, 搜索出准确的脉冲星周期和折叠出正确的脉冲轮廓.